研究背景

可监测压力刺激的柔性可穿戴电子设备由于其在医疗、机器人、电子皮肤和物联网方面的应用前景而引起广泛关注。目前，大多数可穿戴柔性压力传感设备需要繁重的布线和外部供电，这限制了智能电子设备的进一步发展。为解决上述问题，研究人员主要对压力传感器(如摩擦电压力传感器或压电压力传感器)的结构和材料进行改进，或集成多功能设备，实现传感系统的自供电工作模式。然而，基于压电和摩擦电机制的传感器无法检测静态信号，而且多设备集成系统的制备过于复杂，成本高，导致设备体积庞大。因此，设计具有优良传感性能和自供电能力的传感器是一个相当大的挑战。

研究成果

在没有外部电源的情况下，准确和连续的压力信号检测是实现可穿戴电子设备、物联网和人工智能的小型化的关键技术。然而，使用目前的传感器技术很难实现。在此，华中科技大学刘逆霜&高义华教授团队报告了一种新的单体策略，即锌离子电池压力(ZIB-P) 传感器技术，它将可充电的固态锌离子电池本身设计成柔性压力传感器。在该装置中，一个隔离层被引入到夹层配置的固态电池中，以实现在机械信号向电信号的转化过程中，装置的内阻因压力而发生变化。这种电池压力传感器具有良好的灵活性、快速的响应/恢复时间(76.0/88.0 ms)、稳定的长期响应、出色的循环稳定性(10 万次)和宽泛的压力检测范围(2.0~3.68x10⁵ Pa)。特别是，ZIB-P传感器出色的充放电性能使其具备了对人体生命体征(脉搏和肢体运动等)的实时检测能力，以及即使在10万次压力刺激下也不会出现退化的超高稳定性。ZIB-P 传感器策略为未来小型化可穿戴电子设备的发展提供了一个新的解决方案。相关研究以“Zinc Ion Battery Typed Self-Powered Pressure Sensor with Long Service Life”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 首次提出了一个单体自供电传感器的概念，将可充电的储能系统本身变成一个长寿命的压力传感器，以避免多器件集成带来的缺点。这种策略可以实现信号转换，而不需要集成多个器件，如储能器件、功能器件和能量转换器件。2. 报告了一种由固态ZIB组成的新型单体柔性压力传感器，它可用于准确和连续的人体脉搏和肢体运动检测。3. 该一体式压力传感器(ZIB-P 传感器)同时具有传感器和电池的优良性能，可以反复充放电，同时实现灵活、小型化和耐用的传感特性。

图文导读

Figure 1. Device design and principle of one-body ZIB-P sensor.

Figure 2. Preparation of one-body ZIB-P sensor.

Figure 3. Sensing performance of one-body ZIB-P sensor.

Figure 4. Ultra-long cycle of one-body ZIB-P sensor.

Figure 5. Universality and real-time monitoring applications of one-body ZIB-P sensors.

总结与展望

在这项工作中，首次提出了一种同时具有自供电、可充电和优良压力感应性能的单体ZIB-P电池压力传感器。采用了具有高离子传导性和优良机械性能的新型多通道聚合物薄膜PVDF-HFP-GO固体电解质，保证了ZIB-P传感器的出色电池性能。同时，根据电位机制，在PVDF-HFP-GO固体电解质的两端附着不同的电极材料，为传感器提供稳定的电位差。通过PVA纳米纤维隔离层，输出的电位差可以随着施加的压力进行调制。因此，这种ZIB-P电池型压力传感器既可以作为储能装置，又可以作为优秀的压力传感器，它结合了压力传感和ZIB的优点。这大大弥补了器件集成带来的体积大、成本高的缺点。特别是，开发的电池型ZIB-P传感器表现出10万次以上的良好循环性能，76.0/88.0 ms的快速响应/恢复特性，320.0 mV/kPa的高灵敏度，以及2.0 Pa~368.0 kPa的宽广压力响应范围，可以完全覆盖人体压力的工作范围。这种新型的一体式ZIB-P电池压力传感器将为未来柔性可穿戴电子设备的自供电和小型化研究提供一个新的思路。

文献链接Zinc Ion Battery Typed Self-Powered Pressure Sensor with Long Service Life，DOI：10.1002/adma.202205369.