可穿戴系統(tǒng)和智能紡織品因在健康監(jiān)測、應急管理、工作安全、家庭能源管理和自我健康管理等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力而受到廣泛關注。并且，隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬/增強現(xiàn)實技術和機器人技術的發(fā)展，這種智能紡織品還可能將人類生活提升至新的水平。其中，柔性儲能器件更是為可穿戴設備提供有力能源供給，從而推動可穿戴系統(tǒng)的發(fā)展。然而，與傳統(tǒng)的儲能設備一樣，目前大多數(shù)柔性儲能（如電池和超級電容器）設備也使用了有毒的電解液，在可穿戴設備使用時存在安全風險，限制了其應用發(fā)展。
汗液中含有大量正負離子（如K+、 Na+和Cl-），可通過電極表面離子的吸收和擴散作用而參與到電化學反應中，因此被應用于生物燃料電池以及疾病監(jiān)測的生物傳感器等領域。而這種離子反應在儲能器件中的應用潛力，使得汗液有望作為一種無毒、環(huán)保的電解液應用于可穿戴儲能設備中。
基于此，英國格拉斯哥大學Ravinder Dahiya教授課題組采用聚酯纖維素織物作為基底和隔膜材料，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)作為活性電極，制備了以汗液為電解液的織物基柔性超級電容器（SCs）。纖維素織物的高吸收率使得器件能夠實現(xiàn)汗液的快速吸收。PEDOT:PSS活性材料同時具有電子導電與離子導電性、與織物的良好結合性能、易于低溫制備以及良好的生物相容性等優(yōu)點，使其作為柔性SCs的電極具有極大的應用潛力。結果顯示，該工作中制備的織物基SCs具有優(yōu)異的性能。并且將該電容器與汗液鹽度檢測的傳感器結合，實現(xiàn)了一種自供電可穿戴系統(tǒng)的構建。該方法對生物流體的利用，為開發(fā)新型可穿戴設備提供了一種全新的設計思路，有望推動可穿戴電子領域發(fā)展。
該工作以題目為“A Wearable Supercapacitor Based on Conductive PEDOT:PSS-Coated Cloth and a Sweat Electrolyte”發(fā)表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2020, 1907254)上。
【圖文詳解】
本工作中基于PEDOT:PSS織物電極以及汗液電解液的可穿戴超級電容器（SCs）的結構示意圖及機制分析如圖1所示。帶電的PEDOT:PSS與纖維素/聚酯織物上羥基之間的強靜電和氫鍵相互作用使得兩者穩(wěn)定粘附。并且由于織物內(nèi)天然纖維素的存在，為PEDOT:PSS電極提供了良好的潤濕能力，有利于低量汗液電解液的浸潤。這些特性使得SCs的電化學性能顯著提高。此外，PEDOT:PSS共軛高分子膜的氧化還原反應和電極與電解液界面形成的高電化學雙電層電容進一步促進SCs性能的提高。
PEDOT:PSS織物電極的具體制備過程如圖2a所示，由于織物表面是凹凸不平的，該過程主要通過滴涂法完成。從掃面電鏡圖中我們看到整個織物表面PEDOT:PSS雖是不均勻分布，但放大圖中纖維由PEDOT:PSS完全包覆，證明導電織物的成功制備。為了進一步提高織物電極的導電性，作者采用DMSO對PEDOT:PSS進行摻雜，從而更有利于提高SCs的性能。
超級電容器的電化學性能主要通過電化學阻抗譜(EIS)以及循環(huán)伏安法（CV）分析（圖3）。電化學阻抗譜結果細致分析了包括離子交換、電荷轉移、等效串聯(lián)電阻(ESR)和電容等性能。低頻區(qū)域直線表示離子擴散較慢，屬于電極的電容行為。
較低的阻抗值表示汗液中離子在PEDOT: PSS電極上良好的擴散行為，這與織物電極的多孔性也密切相關。EIS圖中高頻區(qū)域沒有半圓或電荷轉移電阻(Rct)值較小，也表明電極在與汗液電解質反應時具有較高的電導率。
并且由于共軛聚合物中的氧化還原反應和電極的高電導率，在PEDOT:PSS電極表面形成了贗電容和電化學雙電層，有效提高SCs性能。循環(huán)伏安法中高掃速下CV曲線呈現(xiàn)良好的矩形，表明該器件具有高功率密度的快速充放電特性。除了電容值外，器件的最大儲能也取決于工作電位窗口，因此作者也對電位窗口進行了優(yōu)化。通過相關性能測試發(fā)現(xiàn)，該SCs表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，包括高的比電容以及較高的功率密度，并且器件具有良好的機械穩(wěn)定性。
為了探索該器件的實際應用潛力，作者通過將器件集成到衣物上，分別測試了在不同出汗和運動條件下的兩個人衣物上SCs的性能（圖4）。第一個人是在公園跑步，由于人體出汗相對較少，只能部分浸濕器件，因此SCs性能相較于第二個人（室內(nèi)跑步機運動，汗液完全浸潤器件）差很多，表明該器件受汗液浸潤性影響較大。結果顯示，器件在汗液完全浸潤條件下測試性能較好，說明其確實具有實際應用價值。因此，在實際應用器件時，作者會將器件集成到吸水性更強的運動帶上，提高汗液對器件的浸潤性，從而獲得穩(wěn)定的性能輸出。
該工作中提出的汗液為電解液、PEDOT:PSS織物電極基SCs與已發(fā)表相關工作相比具有優(yōu)異的性能（圖5a），并且在排汗極低的情況下也具有不錯的性能，說明其具有實際應用價值。而為了進一步展示該器件的應用潛力，作者將該SCs與織物基汗液鹽度分析傳感器結合，SCs作為能源器件為傳感器供能。進一步地，再結合太陽能電池為SCs循環(huán)充電，從而構建一個自供電可穿戴系統(tǒng)（圖5c），可用于汗液分析，實現(xiàn)人體健康監(jiān)測。
【總結】
總的來說，本工作提出的利用生物流體（汗液）作為無毒、環(huán)保的電解液構筑可穿戴超級電容器的設計概念符合可穿戴儲能器件安全、可持續(xù)的制備需求，為新型可穿戴器件設計提供一種新思路。同時，基于汗液的能源器件與傳感器件的集成也使其在健康相關的可穿戴系統(tǒng)領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
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