3D打印可拉伸模块化集成微系统用于无线充电钠离子微电池供电的汗液监测

研究简介

储能集成微系统的新兴发展在推动柔性和可穿戴电子产品发展方面发挥着关键作用，但其兼容性构造和拉伸稳健性仍未得到解决。在此，我们报告了一种可拉伸模块化集成微系统的全三维(3D)打印构造，该系统由无线接收线圈、水性钠离子微电池(ASMB)和葡萄糖传感器组成。开发了一种多功能无粘合剂石墨烯基油墨，可大大降低构造复杂性并提高多个模块之间的兼容性。由此产生的3D打印ASMB表现出0.96mAhcm−2的高面积容量、1500次循环中的良好稳定性和集成均匀性，这得益于精心设计的具有快速电子/离子传输途径的微电极。通过非接触式充电，我们的ASMB可以有效驱动传感器实现对低至0.5mM的葡萄糖浓度的高灵敏度检测。当采用Ecoflex弹性体封装并与液态金属连接时，微系统在50%拉伸应变下经历数千次拉伸变形后仍能保持稳定运行。我们提出的全3D打印微加工和结构设计策略，为开发面向可穿戴电子产品的高度灵活、定制化的集成微系统铺平了道路。

图文导读

图1.可拉伸模块化集成微系统和3D打印图案的制造过程。(a)可拉伸微系统制造过程示意图。(b、c)3D打印图案(b)和可拉伸微系统(c)弯曲状态下的照片。

图2.电极材料表征和油墨印刷适性。（a）EG纳米片的AFM图及其相应的高度轮廓（插图）。（b）EG纳米片的TEM图和选区电子衍射图（插图）。（c）NVTP@C电极材料的SEM图和（d）相应的能量色散光谱映射。（e）EG-ink和NVTP/EG-ink的流变行为。（f）1层NVTP/EG电极的顶视图SEM图。（g）显示NVTP/EG电极表面的EG和NVTP的SEM图。（h，i）2层（h）和8层（i）NVTP/EG电极的侧视SEM图。

图3.NVTP/EGASMBs的电化学性能。(a,b)1m(a)和30m(b)NaTFA电解液的溶剂化结构。白色、红色、紫色、蓝色和灰色球体分别代表H、O、Na、F和C原子。(c,d)1m(c)和30m(d)NaTFA电解液的径向分布函数和配位数。(e)H2O、1m和30mNaTFA电解液的FTIR和(f)拉曼光谱。(g)不同浓度NaTFA电解液的LSV曲线。(h)ASMBs2L+1L−的倍率性能。(i)不同层数ASMBs的比容量-电压曲线。(j)ASMBs-8L+ASMBs-2L+4L−1L的稳定性的Ragone图。

图4.NVTP/EGASMB的集成度和柔韧性。(a,b)两个并联(a)和串联(b)ASMB的恒电流充放电曲线，与单个器件的比较。插图为相应的照片。(c)并联的可拉伸ASMB阵列在不同拉伸应变下的容量保持率。插图为相应的FEA结果。(d)并联的可拉伸ASMB阵列在0-50%拉伸的不同循环后的容量保持率。(e)弹性体封装的单个ASMB在不同的弯曲循环后容量保持率。插图为相应的FEA结果。(f)在不同交替扭曲/折叠变形循环后ASMB的容量保持率。

图5.模块化集成微系统的协同与传感能力。(a,b)微系统在180°弯曲状态(a)和50%拉伸状态(b)下的应变分布FEA结果。上图显示整个设备，下图去除顶部Ecoflex层。(c)NCO对不同葡萄糖浓度顺序添加的电流响应曲线（0.1mM，0.2mM，0.5mM，1.0mM和2.0mM，每种添加五次）。(d)电流密度与葡萄糖浓度之间的线性拟合关系。(e)添加0.1mM葡萄糖后NCO的响应时间。(f)ASMB的无线充电曲线。(g)无线充电后ASMB的恒流放电曲线。(h)ASMB供电下NCO对不同葡萄糖浓度的电流响应。

研究结论

本研究开发了一种高度兼容且可拉伸的模块化集成微系统，由无线接收线圈、ASMB和血糖监测传感器组成。由于NVTP/EG微电极中优异的电子/离子转移路径以及电极和电解质之间的适当匹配，ASMB展示了1.24mWhcm−2的高面积能量密度和良好的循环性。无线接收线圈可以有效地为ASMB充电并随后为传感器供电，实现对模拟汗液中葡萄糖的快速高灵敏检测，证明了我们包含能量收集-存储-消耗模块的模块化集成微系统的适用性。值得注意的是，精心的结构设计使微系统在经历50%拉伸列车的重复拉伸循环后仍能保持稳定运行，为可穿戴电子产品提供了重大机遇。我们相信，所提出的3D打印策略和结构设计可以扩展到大规模制造高度兼容和可定制的可穿戴电子产品的能量相关集成微系统。