能夠監測壓力刺激的柔性可穿戴電子設備在醫療、機器人、電子皮膚和物聯網等領域具有廣闊的應用前景。大多數可穿戴柔性壓力傳感設備都需要較重的布線和外部電源，限制了智能電子設備的進一步發展。因此，設計具有優良傳感性能和自供電能力的傳感器是一個相當大的挑戰。一體自供電傳感器則能夠避免多器件集成帶來的缺點，而其中最大的問題是找到合適的電池。固體電解質鋅離子電池（ZIB）是一種很有前途的電化學儲能系統。它具有電化學性能增強、安全性高和環保等優點，而且由于固體電解質具有良好的延展性，可以通過化學交聯、分離器設計等方法提高電解液的抗拉強度，因此，可以通過機械壓力改變電池內阻來實現機械信號到電信號的轉換。基于此，華中科技大學高義華教授和劉逆霜副教授報告了一種新型的由固態ZIB組成的一體化柔性壓力傳感器，用于精確、連續的人體脈搏和肢體運動檢測。通過引入納米纖維隔離層，作者將固態ZIB的陽極和電解質在正常條件下隔離。此時，電池設備處于開路狀態，最大程度降低待機功耗。反之，當施加外部機械壓力時，電池的界面電阻和隔離層電阻降低，實現機械信號向電信號的轉換，輸出穩定的高/低頻響應信號。這種基于ZIB電池的一體式壓力傳感器兼具傳感器和電池的優異性能。
一體化ZIB-P傳感器的設計
傳統三明治式的一體柔性電池傳感器主要分為四部分：鋅（Zn）電極、聚乙烯醇（PVA）納米纖維隔離層、聚偏氟乙烯-co-六氟丙烯-氧化石墨烯（PVDF-HFP-GO）固體電解質和涂有活性物質VO2（B）的不銹鋼網。固體電解質PVDF-HFP-GO電池呈現3D網絡結構，并允許鋅離子在其中遷移。此外，由于GO與PVDF-HFP之間的氫鍵作用，聚合物鏈變得更加無序，有助于形成三維多孔聚合物網絡，提高膜的孔隙率。ZIB-P傳感器的實時阻抗能夠隨外界壓力的變化而變化。當壓力從0 Pa增加到423 kPa，ZIB-P傳感器的總電阻增加了近30萬倍。無壓力時電信號輸出幾乎為零，只要施加外部機械壓力，電池傳感系統就會輸出穩定的電信號。
圖1 一體化ZIB-P傳感器的設計
一體化ZIB-P傳感器的制備
由于ZIB具有能量密度高、安全性高、環保友好等特點，ZIB-P電池傳感器為壓力傳感器提供了良好的基礎。此外，鋅還具有柔性，使得整個ZIB-P系統具有極佳的柔性。從SEM截面圖像可以看出，PVA納米纖維可以將固體電解質與鋅箔電極分離，這是制備ZIB固體電池壓力傳感器的關鍵。除了優異的電池性能外，成功組裝的ZIB-P傳感器對外部機械壓力的動態響應/恢復（76.0 ms/ 88.0 ms）性能顯著。附著在人體皮膚上，能夠準確響應人體脈搏跳動的不同峰值，實現對人體健康的監測。
圖2 一體化ZIB-P傳感器的制備
一體化ZIB-P傳感器的傳感性能
電壓-電流雙模工作模式為ZIB-P傳感器提供了廣闊的應用前景。與其他壓力傳感器工作機構相比，ZIB-P電池傳感器具有較高的靈敏度（320 mV/kPa（在~ 2kpa）、4.92 mV/kPa （2-140 kPa）、0.57 mV/kPa （140-368 kPa））和極寬的工作范圍（2 Pa ~ 368 kPa）。而且ZIB-P傳感器的組裝性能不受環境溫度影響。此外，該壓力傳感器在不同內部壓力的靜態模型下也表現出良好的輸出穩定性（100 s），連續工作24小時的能量損耗僅為3.0%。其最大輸出電流密度約為0.98 mA/cm2，使ZIB-P傳感器在高功耗條件下具有廣泛的應用范圍。
圖3 一體化ZIB-P傳感器的傳感性能
一體化ZIB-P傳感器的超長周期
ZIB-P傳感器1000次循環的輸出信號在高壓下沒有明顯變化。特別是在8.0 Pa和60.0 Pa的小壓力下，ZIB-P傳感器的輸出電信號可以保持穩定，其變化不超過5.0%，能量損失僅為9.0%（ZIB內部長期能量釋放造成的能量損失）。ZIB-P傳感器經過10次充放電循環和10萬次加載/釋放循環后，其電位恢復到原來的水平，可以實現更多的循環。第1次和第10次充電后的信號沒有差異，意味著ZIB-P傳感器在10萬次循環后的信號損失可以忽略不計，這大大超過了部分電阻壓力傳感器的循環性能。
圖4 一體化ZIB-P傳感器的超長周期
ZIB-P （ZIB （VO2）-P、ZIB （MnHCF）-P和ZIB（MoS2）-P）傳感器的普適性
為了拓展電池傳感器的制備和應用，作者進一步研究了ZIB-P傳感器的普適性。除VO2外，還選用了兩種常見的ZIB正極材料：MnHCF和MoS2。上述三種材料在液固（軟包電池）環境下組裝的電池Voc分別為1.58 V/1.57 V、1.26 V/1.22 V和1.78 V/1.73 V。上面三種電極材料組裝得到的電池傳感器在均勻機械壓力（143.0 kPa）下，可以輸出模擬電壓信號，表明三個ZIB-P傳感器對壓力的響應性能基本一致。綜上所述，蓄電池式壓力傳感器的電極材料會影響裝置的電壓響應范圍。而且，固體電池提供的能量密度和功率密度分別可達177 μWh cm?2 （0.25 mA/cm2）和0.52 mW cm?2（0.25 mA/cm2），比其他微型儲能設備大得多。
一體化ZIB-P傳感器的實時監測應用
作者將兩個ZIB-P電池傳感器與一個小型LED燈連接在一起，形成串聯電路，實現了小型LED燈的能源供應。LED等的亮度隨壓力的增加逐漸增加，進一步證明ZIB-P電池傳感器具有自供電能力和壓力傳感性能。脈沖檢測也是壓力傳感器的一項重要評價指標。將其安裝在成年人的手腕上，ZIB-P傳感器對脈沖的響應曲線可以清楚地分辨出叩診峰（P）、潮峰（T）和舒張峰（D）這三個峰，因此滿足監測人體健康的基本要求。志愿者運動前、后，利用ZIB-P傳感器監測的脈搏分別為86 BMP和102 BMP，休息10分鐘后，脈搏降到了98BMP。在不同的機械刺激下，ZIB-P傳感器也有相應的信號輸出，進一步證明電池傳感器能夠識別各種類型的機械信號。
圖5 一體化ZIB-P傳感器的普適性和實時監測應用
小結：作者首次提出了一種具有自供電、可充電和良好壓力傳感性能的一體化ZIB-P電池壓力傳感器，集壓力傳感和ZIB的優點于一身，既可作為儲能裝置，又可作為壓力傳感器。這極大地彌補了設備集成化帶來的體積大、成本高的缺點。這種新型的一體化ZIB-P型電池壓力傳感器將為今后柔性可穿戴電子設備的自供電和小型化研究提供新的思路。
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