近日，中国科学技术大学工程科学学院文莉副教授课题组在开发柔性可拉伸微超级电容器（MSC）方面取得了重要进展，创新性地提出了一种电化学一体式驱动图案化方法，实现液态金属（LM）和MXene水凝胶的无缝集成和微叉指图案化，成功制备出基于LM/MXene水凝胶复合电极的高性能可拉伸MSC。该工作以“Electrochemical integrated driven patterning of liquid metal/MXene hydrogel electrodes for stretchable microsupercapacitors”为题发表于国际高水平期刊《Energy Storage Materials》。
图： 利用电化学一体化驱动策略制备高性能可拉伸的微超级电容器
具有高柔性和可拉伸性的电子设备和系统在可穿戴电子、皮肤电子和软机器人方面显示出巨大的潜力。面对实际应用中存在的不同程度的形变，如人体皮肤存在30%左右的应变，电池等传统的刚性储能元件已难以满足可穿戴电子设备对柔性和可拉伸性的应用需求。微型超级电容器是一种新型的储能器件，因其高功率密度、长使用寿命和易于平面集成等特性，是解决可穿戴电子设备供能的有效候选方案之一。然而，在维持高储能性能的前提下实现优异的可拉伸性，是制约MSC走向实际应用的关键瓶颈。
液态金属，如共晶镓铟合金（EGaIn），由于具有高导电性和出色的变形适应能力，成为可变形电极的理想选择；新兴二维纳米材料Ti3C2Tx（MXene），凭借其高导电性、超大的比表面积、高体积电容以及良好的稳定性，成为备受关注的MSC活性电极材料。其中，MXene纳米片通过交联形成的3D多孔网络结构的MXene水凝胶，不仅进一步提高了储能性能，且使其同时具备一定的柔性和可拉伸性。将LM和MXene水凝胶结合构建柔性和可拉伸的叉指状复合电极，为开发高性能可拉伸微超级电容器提供了一种非常有前景的解决方案。然而，LM的高表面张力和MXene水凝胶的高水含量，是制约二者实现精确微图案化和无缝集成的核心难题。文莉副教授课题组针对以上难题，创新性地提出一种电化学一体式驱动图案化方法，通过自下而上的策略，利用电化学诱导将LM和MXene材料无缝集成并微图案化形成LM和MXene水凝胶叉指型复合电极。该MSC表现出11.01µWh cm-⟡的出色能量密度和最大180%的拉伸应变，不仅为开发高性能、完全柔软和可拉伸的MSC提供了一条实用的途径，而且通过低成本和简单的制造策略，为开发具有高性能和高可靠性的下一代柔性、可拉伸电子设备提供了新思路。
博士生杨俊峰、硕士生邱自强为论文共同第一作者，文莉副教授为通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。部分实验工作在中国科学技术大学工程与材料科学实验中心、理化实验中心完成。
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