中國研究團隊開發可拉伸水凝膠發電機，歷經8,000次彎曲仍穩定供電

可拉伸水凝膠發電機突破柔性電子瓶頸

中國哈爾濱工業大學研究團隊成功開發出一款全柔性濕氣驅動發電裝置，專為穿戴式電子設備設計，即使在反覆彎曲與拉伸的狀態下仍能穩定供電。

研究團隊指出，該裝置克服了水凝膠基濕氣發電機長期面臨的最大挑戰——水凝膠與電極層之間的黏附力不足。過去，接合不良往往導致變形時電力輸出不穩定，甚至造成機械結構失效。

水凝膠濕氣發電技術備受關注

水凝膠濕氣發電機近年來受到廣泛矚目，因為它能將環境中的濕氣轉化為電力，同時保持柔軟與可撓性。此類系統正被探索應用於穿戴式電子產品、植入式醫療器材，以及需要輕量且持續供電的健康監測技術。

然而，許多現有系統在反覆拉伸、扭轉或彎曲後，難以維持穩定的電力輸出。研究人員表示，水凝膠與電極之間薄弱的界面交互作用，往往會增加電阻並導致層間剝離，限制了電性表現與長期耐用性。

拉伸不影響性能的關鍵技術

為解決上述問題，研究團隊工程設計了一種高黏附性水凝膠，用以強化功能層與電極之間的介面。該水凝膠在水-甘油溶劑中溶脹，並與液態金屬及可拉伸銀電極整合，完成發電裝置的構建。

根據研究，甘油的添加使水凝膠內部暴露出更多氫鍵基團，增加了水凝膠與電極之間的接觸點。這不僅改善了黏附力，還降低了界面電阻，有助於離子在應變狀態下更高效地通過裝置。

研究人員還發現，甘油提升了水凝膠的抗乾燥、抗凍結及抗膨脹能力，使裝置能在不同環境條件下長期穩定運作。

團隊透過實驗與模擬驗證了系統性能，指出高黏附性水凝膠降低了界面阻抗，並相較於傳統結構提升了離子傳輸效率。透過AIMD模擬與DFT計算，研究人員進一步證實，強化後的水凝膠-電極介面能實現更快的離子遷移速度，並降低離子移動的能量障礙。

專為穿戴裝置而生

根據研究數據，該裝置的輸出電壓超過0.94伏特，電流密度達每平方公分141微安培。團隊表示，即使系統承受反覆變形，電力輸出仍保持穩定。

在機械耐久性方面，發電機同樣表現優異。經過1,040次拉伸循環後，系統持續穩定運作。甚至在經歷8,000次180度彎曲循環後，研究人員觀察到的性能衰減幾乎可以忽略不計。

研究人員相信，該技術可支援日常活動中需要柔性且穩定能源的穿戴式電子裝置。研究中提及的潛在應用包括呼吸監測系統與自供電健康感測器。

透過穩定水凝膠-電極介面，研究團隊表示，這項工作為改善柔性電子系統的可靠性提供了更廣泛的策略——在此類系統中，機械應力往往會隨時間損害性能。該方法也有助於指引未來能在嚴苛環境與機械條件下運作的柔性能源裝置的開發。

該研究已發表於《Nano-Micro Letters》期刊。

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