" 4D列印" 超級電容器隨時間變化生長，為可拉伸裝置供電

【導讀】

可伸縮超級電容器（SC）由於其固有的能量儲存功能和獨特的機械效能，在開發獨立於功率的可伸縮電子系統方面引起了極大的關注。大多數當前的SC通常受到其低拉伸性，複雜的製造工藝以及不足的效能和魯棒性的限制。這項研究提出了一種透過還原的氧化石墨烯，碳奈米管和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽對導電覆合材料進行4D列印來製造任意形狀的可拉伸電極的簡便方法。

可以透過氣溶膠噴射印刷將任意形狀的電極圖案沉積到預拉伸的基材上，然後由於應變不匹配而從固定支架上釋放基材後，會生成自組織摺紙（脊）圖案。可拉伸電極在不犧牲其出色的電化學效能的情況下顯示出優異的機械強度和可拉伸性。還製造了帶有任意形狀電極的SC陣列，並將其串聯連線到大規模應用的功率發光二極體圖形。所提出的方法為可擴充套件的可擴充套件性和高電化學效能的未來儲能裝置的可擴充套件製造鋪平了道路。

由密歇根州立大學包裝學院軟機和電子學實驗室的曹長勇帶領的一組研究人員使用特殊的印刷技術，創新的材料和具有數百年曆史的摺紙藝術創造了可拉伸的儲能裝置。開發這種可延展的能量裝置將幫助現有的可穿戴技術（例如智慧手錶）變得更加靈活，舒適和可靠。但是，軟機和電子實驗室的負責人曹也也預見到他的研究將帶來新的可能性。

例如，他正在努力開發智慧紡織品，以監測運動員在比賽中的生命體徵，使用電子面板恢復使用義肢的人們的觸覺，並使用智慧植入物來跟蹤患者的健康狀況，同時幫助其健康。

"對於植入式裝置，您需要能夠與軟組織結合並適應人體運動的電子裝置，"包裝學院，機械工程學系以及電氣與計算機工程系的助理教授曹說。他的團隊還在研究 "植物可穿戴裝置"，該裝置是用於作物的感測器，這些感測器可以隨著植物的生長和移動而伸展和彎曲。

曹說："即使風或環境變化，植物也會在24小時內改變其方向和形狀。" "這是非常令人驚訝和有趣的，因此我們渴望開發能夠適應變化的生長條件的感測器。"為了給這些裝置供電，曹和他的同事正在創造摩擦奈米發電機，這些電子裝置將運動的能量轉化為電能。

例如，今年夏天曹操領導了一個團隊，該團隊建立了感測器來檢測可能由風驅動的森林大火。這種感測器可以讓護林員監視大片的森林，而不必更換或充電。這些能量收集電路中的關鍵成分是稱為超級電容器的元件，該元件使用電化學方法像電池一樣進行充電和放電，但速度要快得多。

曹的團隊已經開發出一種製造超級電容器的方法，該超級電容器可以擴充套件到新的極限而不會影響其電化學效能。該方法是一種所謂的4D列印，或建立隨時間變化的3D結構。該團隊於12月在被高引用的雜誌Advanced Materials Technologies上線上報告了其工作。

（a） 用CNT，RGO， PEDOT:PSS混合成的合成油墨的光學影象。不同襯底上RGO-CNT-PH1000薄膜的光學影象如柔性Kapton薄膜（b）、鋁片/箔（c）和可拉伸VHB

基片具有更復雜的圖案（d和e），具有精確和任意的形狀。

該團隊使用氣溶膠噴射印表機將特殊配製的墨水直接沉積到可拉伸的聚合物基材上，就像噴墨印表機將墨水分配在紙張上一樣。這些印刷材料得益於兩項創新，構成了可拉伸超級電容器的基礎。首先，該油墨採用導電碳材料的混合物來滿足團隊所需的電化學和機械效能。它既包含碳奈米管，也包含逐漸消失的碳薄板，稱為氧化石墨烯。"碳奈米管的電化學效能比石墨烯低，但石墨烯在我們的油墨溶劑中不具有良好的溶解性，因此很難形成穩定的油墨，"曹說。"將它們與導電聚合物新增劑結合在一起，可為我們提供兩全其美的優勢：良好的粘合強度，機械堅固性，優異的導電性以及印刷相容性。"

印刷體任意形狀SC陣列供電的實驗演示

（a） 實驗裝置。（b） 演示由SC陣列供電的發光二極體顯示相應的供電過程。

第二項創新是科學摺紙的一種形式。研究人員知道，是否可以使墨水乾燥成皺紋狀，就像手風琴一樣，這將有助於墨水在其使用壽命中保持彈性。為了自動實現這種圖案，他們拉長了聚合物基材，並在其上印刷了定製的油墨。當油墨在適當的條件下固化時，研究人員釋放了基料並使其鬆弛回到其初始形狀，並基本上將印刷的膜摺疊成預期的圖案。

光學顯微鏡下的綠色波浪織物，實際上是幫助柔性電子裝置供電的"波紋"電極。

曹說："我們正在介紹一種更好的方法來製造易於伸展的自供電系統。" "我們已經展示了材料，過程以及如何將其整合。"這項工作得到了美國國家科學基金會和美國農業部，國家糧食與農業研究所的部分支援。