【儀表網 研發快訊】在可穿戴設備、電子皮膚和軟體機器人迅猛發展的今天，為其尋找同樣柔軟、可拉伸且高效穩定的“心臟”——儲能器件，已成為前沿科研的關鍵挑戰。近日，中國科學技術大學工程科學學院文莉副教授課題組在這一領域取得重要進展，他們創新性地提出了一種電化學一體式驅動圖案化方法，成功制備出基于液態金屬與MXene水凝膠的高性能可拉伸微超級電容器(MSC)，為下一代柔性電子設備的供能難題提供了極具前景的解決方案。該成果以“Electrochemical integrated driven patterning of liquid metal/MXene hydrogel electrodes for stretchable microsupercapacitors”為題，發表于國際知名期刊《Energy Storage Materials》。
傳統電池等剛性儲能元件難以適應可穿戴設備隨人體活動而產生的形變(如皮膚約30%的應變)，這嚴重制約了柔性電子的發展。微型超級電容器因其高功率密度和長壽命等優點被視為理想的替代者，但如何在保持高儲能性能的同時實現優異的可拉伸性，一直是難以逾越的技術瓶頸。
面對挑戰，研究團隊將目光投向了兩種明星材料：液態金屬(如共晶鎵銦合金EGaIn)和MXene水凝膠。液態金屬具有卓越的導電性和近乎液體的形變能力，是構建可變形電極的理想骨架；而MXene(如Ti3C2Tx)作為一種新興二維材料，以其高導電性、超大比表面積和高體積電容著稱，其形成的水凝膠三維網絡能進一步提升儲能性能并賦予材料一定的柔性。然而，將兩者優勢結合卻面臨核心難題：液態金屬的高表面張力和MXene水凝膠的高含水量，使得將它們精確“雕刻”成復雜的微型叉指電極圖案并實現無縫集成異常困難。
正是針對這一核心難題，文莉副教授課題組提出了巧妙的電化學一體化驅動策略。該策略如同一位微觀世界的“建筑師”，通過自下而上的電化學過程，在同一工序內驅動液態金屬和MXene材料，讓它們按照預設圖案自動、精準地組裝并緊密結合，最終形成無縫集成的液態金屬/MXene水凝膠復合叉指電極。這種方法繞開了傳統微加工技術的局限，實現了材料與圖案化工藝的和諧統一。
基于此策略制備的可拉伸微超級電容器展現出了卓越的性能：其能量密度高達11.01 µWh cm?²，同時能夠承受最大180% 的拉伸應變。這意味著該器件在比自身原長拉伸近兩倍后，仍能保持穩定的儲能功能，充分滿足了高度變形場景的應用需求。
這項工作的意義深遠。它不僅為制備高性能、完全柔軟可拉伸的微型超級電容器開辟了一條實用、低成本且工藝簡單的新途徑，更重要的是，這種一體化的驅動和集成思路，為未來設計制造各類高性能、高可靠性的柔性可拉伸電子設備提供了嶄新的靈感與堅實的技術基礎。
該研究成果由中國科學技術大學博士生楊俊峰和碩士生邱自強作為共同第一作者完成，文莉副教授為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助，相關實驗在中國科大工程與材料科學實驗中心、理化實驗中心完成。
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