随着可穿戴技术的飞速发展，市场对柔性应变传感器的需求日益增长，这些创新设备在提供个性化智能医疗和全面健康管理解决方案方面展现出巨大潜力。然而，将压力传感器与能源供应系统集成到单一的可穿戴设备中，面临着设计和工程上的挑战。压力传感器需要具备高度的柔韧性和变形能力，以便紧密贴合皮肤并精确捕捉微小的压力变化。与此同时，内置电池除了要体积小巧，还必须具备出色的稳定性和抗冲击性，以确保设备的安全性和耐用性。
针对这些挑战，五邑大学何鑫教授课题组开发了一种集能量存储与传感功能于一体的新型可穿戴设备。该设备具有优异的柔韧性和结构弹性，不仅在日常使用中能够承受形变，更能在遭受外部冲击时保持稳定运行。其固态锌离子电池模块，以高比容量和强大的抗冲击性，为可穿戴电子设备提供可靠的能源支持。同时，高灵敏的压力传感器模块能够精确监测到指尖脉搏的微弱跳动和呼吸模式的复杂变化，提供精细的数据反馈。这些结果突显了一体化设备在可穿戴智能医疗监测和管理方面的潜力。该工作以题为“An All-in-One Wearable Device Integrating a Solid-State Zinc-Ion Battery and a Capacitive Pressure Sensor for Intelligent Health Monitoring”发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1 （a）一体化装置的结构示意图；（b）一体化装置的工作原理；（c-f）VO2/CC电极的SEM与TEM图像；（g）碳布和VO2/CC电极的XRD图谱；（h-i）电极的O1s和V2p的高分辨率XPS光谱；（j）电解质表面及（k）涂覆有电解质的VO2/CC电极的SEM图像。该多功能设备使用离子凝胶同时用作电池模块的电解质和传感器模块的介电层。电池模块使用VO2/CC阴极与锌箔阳极。此外，通过在介电层上引入另一层VO2/CC作为顶部电极集成传感功能。电极的三维纳米结构设计，为锌离子的嵌入和脱嵌提供了充足的活性位点，优化了电池的充放电性能。这种结构也提升了传感器模块的电容性能，使得设备能够精确地检测到微小的压力变化，实现高灵敏度的压力传感。图2 电池模块的电化学性能。（a）恒流充放电曲线；（b）CV曲线；（c）阴极和阳极峰值的log(Ip)与log(v)曲线；（d）容量和扩散贡献；（e）循环性能。对一体化装置中柔性固态锌离子电池组件的电化学性能进行了测试。柔性固态锌离子电池组件最大比容量为286.2 mAh g-1，该装置的储能能力主要受界面反应的影响，还进一步验证充放电过程中随着扫描速率的增加，电容贡献率也在增加，表明电池组件具备良好的动力学特性，能够在快速充放电过程中保持较高的能量输出。图3 电池模块电化学性能的稳定性。（a-c）不同负载下的恒流充放电曲线、EIS曲线和CV曲线；（d）折叠过程中电压和电容的变化；（e）破坏性刺穿实验中的电压变化；（f）压力增加时的电压曲线；（g）3000次加载-卸载循环期间的电压稳定性。进行了一系列测试以评估该设备在外部压力下的电化学性能稳定性，表明了即使在长期高压下，电池模块也能保持一致的电化学性能，同时传感模块表现出显著的敏感性。此外，该设备表现出出色的抗损伤耐久性，显著提高了电池在可穿戴技术应用中的安全性和稳定性。图4 传感器模块的传感性能。（a）电容变化率曲线；（b）不同充放电条件下的电容变化率曲线；（c-d）在阶梯压力和不同压力加载速率下循环电容变化；（e）响应和恢复时间；（f）传感器在40kPa下7000次循环的长期稳定性测试。进一步研究了一体化设备的传感能力。传感器模块显示了16 - 37 kPa之间2.3×104 kPa-1的峰值灵敏度。传感器模块的电容变化率曲线在电池模块的充放电循环中保持一致，具有很强的可重复性与持久的机械稳定性。图5 一体化设备生理信号的监测和识别。（a）指尖脉搏监测；（b-c）检测指尖脉冲的电容变化曲线和放大曲线；（d）运动后指尖脉搏监测；（e）呼吸监测设备定位示意图；（f-g）实时记录呼吸模式：正常呼吸和咳嗽，以及所有呼吸模式的视觉摘要；（h）呼吸模式识别的分类混淆矩阵；（i）ANN算法模型的损失函数和精度曲线。该设备展现出了对人体生理信号的高灵敏度，不仅能在附着于指尖时捕捉到微弱的脉搏信号，还能探测与呼吸相关的生理变化。在实验中，志愿者根据指导模拟了六种不同的呼吸模式，利用人工神经网络算法，传感器模块在识别和分类人类呼吸模式的任务中表现出色，达到了94.4%的准确率。这一结果验证了传感器模块在处理复杂生理信号方面的高效性和准确性，同时也展示了其在智能健康监测领域的应用潜力。通过这种高精度的监测能力，设备能够为早期发现和诊断呼吸系统疾病提供有力的数据支持，进而促进个性化医疗和健康管理的发展。总结：本文介绍了一种创新的集成设备，它将电池和压力传感器有效地结合在一起。即便在经历周期性压力和剧烈冲击的条件下，该设备仍能维持稳定的能量存储能力，并提供持续一致的电压输出。此外，它还能准确捕捉如指尖脉搏和复杂呼吸模式等细微的生理信号。这些能力表明，该设备在推动可穿戴技术的发展和辅助智能医疗管理方面具有显著的应用前景。--检测服务--