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AM：基于导电PEDOT:PSS涂层布和人体汗液电解质的可穿戴超级电容器

科学材料站

2020-05-16

导读：本文介绍了一种用于智能纺织品和可穿戴系统的基于汗液的柔性超级电容器, 所研制的超级电容器(SCs) 以汗液为电解质，以聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）为活性电极。

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First published: 11 May 2020

导读

近日, 格拉斯哥大学Ravinder Dahiya教授课题组在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“A Wearable Supercapacitor Based on Conductive PEDOT:PSS‐Coated Cloth and a Sweat Electrolyte”的论文, Libu Manjakkal 是本文的第一作者。

本文介绍了一种用于智能纺织品和可穿戴系统的基于汗液的柔性超级电容器, 所研制的超级电容器(SCs) 以汗液为电解质，以聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）为活性电极。当PEDOT:PSS涂覆在纤维素/聚酯布上时，SCs显示在1 mV s-1时的比电容为8.94 F g-1（10 mF cm-2）。在人工出汗条件下，SCs在1.31V下的能量密度为1.36wh kg-1，功率密度为329.70w kg-1，比电容为5.65f g-1。对于真实的人体汗液，观察到的能量密度和功率密度分别为0.25 Wh kg-1和30.62 W kg-1。

SCs的性能是使用不同体积的汗液（20、50和100微升）、弯曲半径（10、15、20毫米）、充放电稳定性（4000次循环）和耐洗性来评估。通过成功的人体试验，首次展示了基于汗液的SCs适用于监测汗液盐度的自驱动布基传感器。该方法利用体液获得了良好的性能，是满足可穿戴系统功耗要求的安全、可持续途径。

关键词

能源材料,PEDOT：PSS, 智能纺织品, 超级电容器, 防汗耐磨

背景简介

1. 研究可穿戴系统和智能纺织品的意义

可穿戴系统和智能纺织品为健康老龄化、患者监测、应急管理、工作安全、提高生产力、家庭能源管理和自我健康管理等领域提供解决方案，以及物联网的发展，在应对紧迫的全球挑战方面具有巨大潜力，虚拟/增强现实技术和机器人技术，智能纺织品也可能导致人类连接的新水平。对于这些进步，智能穿戴设备应具有高密度的无缝集成和自供电的主动/被动设备（如传感器、执行器、显示器以及用于读取和通信的电路）。

2. 限制可穿戴系统和智能纺织品发展的因素

因此，人们对基于纤维的设备越来越感兴趣，特别是在能源产生和储存方面实现能源自主穿戴。这方面的一些尝试集中在使用传统电池上，由于不易弯曲、过热、使用有毒电解质等问题，传统电池限制了便携性和穿戴性，近年来，为了解决这些问题，人们对柔性储能装置, 如电池和SCs等，包括基于纺织品的储能装置进行了探索，并展示了一些适度的性能。然而，与传统的储能装置一样，这些储能装置也使用了有毒的电解质，在可穿戴系统中使用时会带来安全风险，需要特殊包装以防止电解质泄漏。这些问题可以通过生物相容性材料和一开始所做的独特工作来解决, 本文展示了利用生物流体如汗液来开发柔性SCs。

3. 汗液作为电解质的机理及优点

利用生物燃料电池和生物传感器检测慢性疾病研究了汗液的能量生成，其中汗液成分（如Na⁺，K⁺，和Cl^-）被吸收或扩散到工作电极或敏感电极的表面，从而参与电化学反应。汗液作为可穿戴储能装置的可靠电解质，具有无毒、环保等优点。这与今天广泛使用的腐蚀性和易燃的水（酸性或碱性）或有机电解质形成鲜明对比。另一方面，汗液很容易用于可穿戴设备，在需要的时候可以通过离子导入技术提取。

文章介绍

作者提出了一种以汗液为电解质的纺织超级电容器, 所开发的SCs包括作为活性电极的DMSO掺杂PEDOT:PSS涂层布和作为电解质的汗液。由于共轭聚合物的赝电容（法拉第反应）和PEDOT:PSS电极与汗液反应时在电极表面形成的电化学双层结构，制备的SCs具有优异的性能。

结果表明, 开发的汗液基SCs显示出高的人工汗液比电容（重量为7.64 F g^-1，低电流密度下面积为8.45 mF cm^-2，0.07 A g^-1）和真人汗液比电容（3.88 F g^-1）。对于人造汗液，装置显示1.36 Wh kg^-1（1.63μWh cm^-2）的能量密度和1.31 V的329.70 W kg^-1（0.40 mW cm^-2）的功率密度（考虑1.4 V的IRdrop及其Csp 5.65 F g^-1）。

对于真实的人体汗液，观察到的能量密度和功率密度分别为0.25 Wh kg^-1和30.62 W kg^-1。在这项工作中，汗水被用作健康监测参数，也被用作能量储存装置的燃料。目前的研究为SCs在可穿戴应用中的制造和实现提供了新的途径，包括将其用作汗液监测传感器的电源。

图一: PEDOT:PSS的结构示意图和机理说明

Schematic representation and mechanism of the PEDOT:PSS coated on cellulose cloth, which absorbs sweat as an electrolyte for wearable supercapacitors.

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907254

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