研 究 背 景
可抛电子产品，如电子皮肤、电子纹身、电子织物和生物可吸收的植入设备，对于获取更准确的生物健康监测数据和丰富无处不在的物联网(IoT)的大数据至关重要。由于灵活且可降解的传感平台，它对于神经工程中的人机界面和原位电刺激也特别重要。纸质电子产品作为一种重要的可抛电子产品，具有生物相容性好、成本低、可回收利用等独特优势。纸基印刷电路板(PCB)、场效应晶体管、天线、发光器件和生物传感器等都是最近被报道的。此外，在纸上打印功能电子产品还可以转换为各种可定制的形状或折纸艺术形式，以在拓扑空间中集成设备。然而，所有可抛电子产品的致命弱点在于其兼容的电源供应。尽管开发了柔性锂离子电池、锌离子薄膜电池和大功率软超级电容器等柔性储能设备，但由于含有重金属危害或有毒电解液等安全和环境原因，它们不能可抛使用。此外，它们的制造工艺也无法应对可抛电子产品。另一方面，能量收集系统，如声能收集、汗液收集生物超级电容器、电磁感应能量收集、柔性光伏、蒸发驱动发电机、压电和摩擦电纳米发电机(TENG)，要么由于转换效率低，要么由于能量供应不连续而在实际应用中很少使用。因此，迫切需要集成能量管理系统(即集成能量收集和能量存储单元)来持续供应直流功率，特别是在驱动可抛、可透气、多功能集成电路(IC)方面。最近，集成电路的关键部件--微电子机械系统(MEMS)系统也已被开发并用于可生态吸收和可生物吸收的医疗设备，这对改善人机交互体验具有重要意义。
文 章 简 介
近日，中科院北京纳米能源与系统研究所的魏迪研究员和王中林院士团队利用Li+在二维纳米流体通道内高效定向传输特性，在盐度梯度下微调界面氧化还原反应，实现了高性能的超薄、纸基、可抛离子电子学能源。该能源的体积功率和能量密度分别为 438.02 mW cm-3 和 30.02 mWh cm-3，面积功率密度为 1095.05 mW cm-2，超过了大多数柔性电池。它可以在弯曲甚至切割时保持工作状态，并且可以通过简单地焚烧进行回收。同时，将不同功能化二维纳米流体墨水注入钢笔，我们可以在纸上实现可绘制电源。这不仅克服了大多数电池存在自放电的固有缺陷，而且可以直接在任何绝缘衬底上手写能量。此外，该能源可以与纸机摩擦纳米发电机组成能源管理系统，并与可打印无线传感模块组成一体化可透气集成电路，以双面打印的方法集成到一张纸上，展示了这种纸基离子电子学能源在可抛电子与人机接口上的巨大潜力。该成果以“Integratable Paper-based Iontronic Power Source for All-in-one Disposable Electronics”为题发表在近期的Advanced Energy Materials期刊上。
图 文 分 析
摘要附图：基于纸基可抛离子电子学能源的可打印可透气集成电路
图1：可用于直接打印的功能化氧化石墨烯油墨特性。a，基于氧化石墨烯油墨直接打印的离子电子学能源的原理图，以及集成能源管理系统的一体化可抛应用。b，单片氧化石墨烯的透射电子显微镜（TEM）图像。比例尺：500 nm。插图：选定区域的电子衍射（SAED）图案。c，单片氧化石墨烯的原子力显微镜（AFM）图像和相应的高度轮廓。d，具有粘度的氧化石墨烯油墨的流变特性。e，氧化石墨烯油墨与剪应力的存储模量(G’)和损失模量(G’’)。f，顶部：氧化石墨烯高分辨率直接挤出打印的光学图像。底部：用挤压印刷法制作的氧化石墨烯电路的光学图像。g，PET（上）和硫酸纸（下）打印的GO线的SEM图像，间隙为100 μm。h，打印出来的氧化石墨烯线的厚度（顶部）和表面剖面（底部）作为打印次数的函数。
图2：直接打印的离子电子学能源及其表征。a，高分辨率挤压打印的光学图像，以制造定制的不同个数或长度的离子电子学能源。比例尺，1 cm。b，光学图像显示了不同个数或长度的可定制离子电子学能源单位电池的开路电压（Voc）。c、离子电子学能源的切割（顶部）和弯曲（底部）试验。d，I-V特性和相应的25°C下的RH 80%的功率密度。e，离子电子学能源在1 μA、25°C、RH 80%时的放电曲线。f，Ragone图中离子电子学能源的能量和功率密度的比较。
图3：纸基TENG集成。a，TENG的应用和结构示意图，以及等效电路充电；这种离子电源可以安全地附着在人体皮肤表面（插图），并与TENG集成，建立一个集成的能源管理系统。b-c，(b)Voc和(c) Isc在不同频率下的输出。d，采用纸基TENG在不同频率下将一个电容器（100 μF）充电到1.5 V，插图：充电曲线的放大模式。e，由TENG在5 Hz下充电的离子电子学能源的计时电压测试。f，与TENG集成的离子电子学能源在1 μA时的恒流放电性能。g，由TENG和离子电子学能源组成的纸基能源管理系统可以使LED更亮。
图4：集成的能源管理系统用于一体化可抛的自驱动传感。a，通过书写实现的离子电子学能源示意图。b，由铅笔连接的离子电子学能源电路c，在纸上绘制的离子电子学能源单元，可以提供正常电压并点亮LED。d，用于无线健康监测的一体化可抛电子设备示意图。e，利用离子电子学能源驱动的纸质无线温度传感器。f，纸基、可透气、一体式可抛电子器件直接附着在人体上，实时温度监测。g，纸基离子电源和印刷电子设备的焚烧回收。
文 章 总 结
可抛电子产品并不意味着超薄的几何结构和机械灵活性。所有的电子产品都需要电力，这对生物兼容性、透气性和可回收性提出了更大的挑战，要建造一个满足所有要求的电源是困难的。这是第一篇通过在一张纸上双面打印来演示集成能源管理系统和IC的报告。在盐度梯度驱动下，GO中的2D纳米流体通道可以实现Li+的高效单极离子传输，并且通过耦合银电极上的氧化还原反应，纸基离子源产生的体积功率和能量密度分别为438.02 mW cm-3和30.02mWh cm-3，面积功率密度为1095.05 mW cm-2，超过了大多数柔性电池。另一方面，它也可以很容易地与纸基TENG等能源收集系统集成，形成完全基于纸质的能源管理系统，为可抛电子产品持续供电。这种纸具有天然的透气性和生物相容性，可以直接接触皮肤。同时，我们展示了一种皮肤接口的可抛纸质电子一体机，并将其安装在人体上，提供现场无线温度监测。该工作提供了一种将可打印能源管理系统与集成电路相结合的新范式，可以打印在纸的单面上，也可以通过穿孔技术连接在纸的双面上。
这种一体式纸质可抛电子产品只需焚烧即可轻松回收。此外，这三种基于GO的墨水提供了多种提供能量的方式。离子电子学能源可以很容易地通过打印在纸张等基质上拓扑设计，并可以直接打印/绘制在印刷电路板或任何绝缘基板上。在钢笔中注入不同类型的功能化墨水，电源单元可以在纸上画出，并可直接进行电路集成。这种将墨水储存在不同笔中的新方法还可以克服大多数电池自放电的固有缺陷，即电池一组装就会放电。将离子能量存储在一张纸上可以为纸基诊断系统打开一种新的场景，它将提供关于下一代物联网、生物/健康现场监测/诊断、智能物流系统、为未来的人机界面和仿生神经形态计算设计的能量供给提供全新方案。
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