四川大学傅强/邓华教授团队SusMat：用于柔性能源装置的可拉伸导体的设计、制备及应用

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日益严峻的能源危机迫使人们亟需开发出强有力且可靠的下一代能源系统。除了传统的大规模能源外，在人们日常生活中隐藏的分散式能源等待着被充分发掘并利用。利用这些潜在的能量有可能促进柔性能源系统的进一步发展。相较于刚性能源装置，柔性能源装置可以更加方便的收集与储存来自具有动态复杂结构（如人体皮肤）中的能量。而能够承受应变（>>1%），同时保持稳定导电通路的可拉伸导体是实现柔性电子能源设备的先决条件。因此，了解这些导体的特性并评估其制造策略的可行性尤为重要。四川大学傅强/邓华教授团队就柔性能量收集和存储装置用可拉伸导体的设计、制备及应用研究进展进行了分析与概括，重点从材料与结构两方面介绍了可拉伸导体的制备与设计策略，以及在柔性能源器件中的最新应用进展，并对发展前景进行了展望。该工作在SusMat上以题为“Recent development on the design, preparation and application of stretchable conductors for flexible energy harvest and storage devices”在线发表（DOI: 10.1002/sus2.204）。

图1. 可拉伸导体的设计、制备及应用概述图。

我们摘取文章中的几部分重点内容进行介绍：

01

前言

与传统笨重且刚性的能源装置相比，柔性能源装置表现出相当大的机械灵活性，为软电子系统的发展铺平了道路。然而，实现柔性设备在具有复杂和动态结构的表面上的保形附着仍然是一个艰巨的挑战。同时，电子设备在经受反复的机械变形时容易发生故障。为了保证在大应变下电荷的有效传输，电极需要同时具有导电性和力学柔顺性。在电子系统中合理利用可拉伸电极，可以提高柔性与灵活性，以拓宽软电子能源系统的应用范围。

本文重点介绍了开发可拉伸导体的制备策略，包括导电填料和弹性聚合物基体的共混和组装，以及通过各种应变工程实现可逆弹性结构。基于这些策略设计了各种柔性电子能源设备，包括摩擦电/压电纳米发电机，热电发电机、光电，以及可拉伸电池和超级电容器。对这些设备的最新进展进行了回顾与总结，重点介绍了旨在提高变形能力和在应变下保持设备性能的创新方法。最后，讨论了可拉伸导体作为柔性能源设备的关键部件所面临的挑战和未来前景。

02

材料基可拉伸导体

材料基可拉伸导体包括绝缘的可拉伸弹性体和导电的刚性填料。它们是可拉伸电子元件的关键部件，主要用作可拉伸互连或电极，以保证有效的电子传输。Someya等人（Nat Electron. 2022;5:784-793）报道了超薄（1.3 μm）的聚二甲基硅氧烷/金导体，并且在金膜中具有可控的微裂纹形态（图2A）；Kim等人（Science. 2021;373:1022-1026）提出了一种将溶剂干燥与自组装相结合的漂浮组装策略，以制备导电弹性纳米膜（图2B）；Lee等人（Adv Mater. 2018;30:1802803）采用由马兰戈尼效应驱动的喷涂辅助自组装策略制备了银纳米线束微网（图2C）。此外，如图2D-2G所示，研究人员（ACS Nano. 2018;12:9326-9332; Nat Nanotechnol. 2012;7:803-809; Nat Nanotechnol. 2019;14:156-160; Adv Funct Mater. 2021;31:2105587）还设计开发了一系列基于在可渗透基底上异质组装的可拉伸导体。

图2. 基于复合材料的可拉伸导体结构与性能。

03

结构基可拉伸导体

对于材料基的可拉伸导体，其固有可拉伸性会受到所采用材料特性的限制。为此，研究人员设计了一系列具有拉伸性的弹性结构，如波浪结构、岛桥结构、折纸/剪纸结构等，以进一步提高导体的可拉伸性。Wang等人(Adv Funct Mater. 2020;30:2002041)设计出基于银-共晶镓铟颗粒的独立软质蛇形“桥”可以使打印的微观结构在极端应变下保持机械与电气性能(图3A)；Choi等人(Adv Funct Mater. 2021;31:2011059)利用流体动力学工艺构建了石墨烯薄片均匀掺杂的热塑性聚氨酯，基于蛇形结构图案的导体在大应变下只表现出轻微的电阻变化（图3B）；Lin等人（Adv Mater. 2023;35:2210238）提出了一种三维蛇形-螺旋组合结构，该结构可以使大机械力向下传递到更小的尺度，并通过微尺度屈曲消散潜在的破坏性应力，从而赋予导体高可拉伸性（图3C）；Yang等人（Sci Adv. 2022;8:eabn3863）设计出摩天轮形岛来抑制由于刚性岛与弹性基底间模量不匹配引起的局部应变与界面裂纹扩展，从而提高失效应变与疲劳寿命（图3D）。

图3. 基于岛桥结构的可拉伸导体结构与性能。

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材料基可拉伸导体

随着广泛分布的柔性、可拉伸和便携式电子产品的迅速发展，创造一种统一的移动电源已成为全球学术界感兴趣的领域之一。为了最大限度地利用日常生活中丰富而随机分布的能源，将这些间歇性能源转化为电能供储存和使用的有效的能源利用装置相当重要。实现这些发电机通常需要利用导体作为发电部件或作为能量转换的电极。此外，为了确保与不规则动态表面的良好兼容性，发电机的每个部件都应具有相当大的弹性，从而具有适当的变形性和耐磨性。

4.1 可拉伸能量收集装置

摩擦电纳米发电机是发电家族的重要组成部分，可以有效将机械能转化为电能，基于器件结构与工作机制，摩擦电纳米发电机可以在四种不同模式下工作：垂直接触-分离模式、横向滑动模式、单电极模式与独立摩擦电层模式（图4A）。Sun等人（Adv Funct Mater. 2020;30:1909652）开发的导电液态金属纳米颗粒基可拉伸的摩擦电纳米发电机在不同的拉伸条件下都具有高电力输出能力（图4B）；Wang等人（Nano Energy. 2023;107:108170）设计出具有用于发电的应变隔离硬模块与用于承受应变的软模块组合，由此组装的设备具有稳定的电力输出，即使在高应变条件下也没有衰减（图4C）；Pan等人（Adv Mater. 2018;30:1706738）使用银纳米纤维网状电极，实现了具有高透明度的可拉伸摩擦电纳米发电机（图4D）。

图4. 典型可拉伸摩擦电纳米发电机的结构与电输出性能。

4.2 可拉伸能源储存装置

与传统的刚性电池相比，具有可变形性的可拉伸电池具有出色的灵活性，使其成为可穿戴和便携式电子产品供电的可靠候选者。电池的工作机理如图5A所示。Zamarayeva等人(Sci Adv. 2017;3:e1602051)先后采用卷曲的弹簧结构与蛇形结构制备集流体，得到的电池在在周期性的拉伸过程中保持稳定的充放电行为（图5B）；Wu等人提出了类似岛桥结构的应变工程，即表面金属化的纱线形成可拉伸的框架，而电活性材料沉积在不受应变影响的割绒纤维上，制备得到的锂离子电池电极具有良好的充放电循环稳定性（图5C）。

图5.典型可拉伸电池的结构与电性能。

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总结

作为柔性电子器件的重要组成部分，可拉伸导体对柔性电子器件的性能有着重要的影响。柔性集成器件的设计通常涉及在一定程度的重复机械变形下正常运行所需的多层结构。在这种构型中，相对较薄的功能层比器件的其余部分承受更大的应变，这可能导致界面不匹配或薄膜裂纹。因此，在设计器件时必须考虑器件结构和材料公差的差异。需要进一步探索具有相似（匹配）力学性能和固有拉伸性能的潜在材料，以减少分层的可能。此外，还应开发具有自愈、透明和防水等附加功能的设备。例如，使用自修复聚合物来实现自我修复的摩擦电，超级电容器与电池，将生产出能够从损坏或衰减中恢复其性能的能源设备，这将是朝着强大、免维护的柔性电源迈出的重要一步。进一步集成可拉伸电子器件的另一个重要方向是开发柔软的可拉伸导体与固体硅基元件之间的坚固键合。这是因为在涉及大量信号处理和管理的集成电子系统中，这些可拉伸导体将作为软互连集成到硅芯片终端中。

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《可持续发展材料（英文）》（SusMat）创刊于2020年，是由四川大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊（双月刊）。本刊聚焦可持续发展材料领域研究前沿和热点，提供可持续发展材料领域研究前沿、最新重要成果、重大成就的发布与交流平台，助力建设“绿水青山美丽中国”、实现国家“碳达峰、碳中和”战略目标，以打造可持续发展材料领域的综合性权威期刊，高水平学术传播交流平台。期刊于2023年获首个影响因子28.4, JCI指数3.01。先后收录于DOAJ、ESCI、CAS等数据库。

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