隨著人機(jī)交互技術(shù)的快速發(fā)展，離子電子學(xué)近年來備受關(guān)注。與傳統(tǒng)電子學(xué)依賴電子作為電荷載體不同，離子電子學(xué)通過在界面處整合電子-離子電荷傳輸與信號(hào)交換，實(shí)現(xiàn)了多樣化的功能。其中，離子電子發(fā)電機(jī)（IPG）能夠?qū)⒆匀荒芰哭D(zhuǎn)化為電能，為自供電設(shè)備和生物電子應(yīng)用提供了重要可能。然而，現(xiàn)有IPG的功率密度和輸出電流仍顯不足，成為其走向商業(yè)化的重要瓶頸。為突破這一限制，研究人員一直在探索如何構(gòu)建更高效的不對(duì)稱離子-電子界面，以提升能量轉(zhuǎn)換效率。

近日，清華大學(xué)曲良體教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于“固有不對(duì)稱離子電子界面”與“可控能量釋放門”的新型離子電子發(fā)電機(jī)（AEPG）。該裝置通過可逆的電子耦合離子振蕩機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3680 W m?3的體積功率密度、18.4 W m?2的面積功率密度以及超過5 A的峰值電流，創(chuàng)造了目前同類發(fā)電機(jī)的最高性能紀(jì)錄。該研究不僅為可穿戴電子設(shè)備提供了新的供電方案，也為從低品位環(huán)境能源中獲取高性能電能指明了新方向。相關(guān)論文以“Intrinsic asymmetric iontronic-interfaces for giant power generation”為題，發(fā)表在

Nature Communications

該發(fā)電機(jī)的核心在于其“固有不對(duì)稱離子電子界面”的設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)選用了具有相反表面電荷的納米結(jié)構(gòu)二氧化錳（MnO?）和鈦碳化鈉（Ti?C?T? MXene）作為電極材料。掃描電鏡和透射電鏡圖像顯示，MnO?為均勻的數(shù)百納米顆粒，而MXene則為1–3微米的片層結(jié)構(gòu)。兩種材料表面分別帶有正負(fù)電荷，并具有多孔納米結(jié)構(gòu)，有利于離子在界面處的自發(fā)吸附與存儲(chǔ)。通過Zeta電位、開爾文探針力顯微鏡和紫外光電子能譜等一系列表征，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了二者之間存在明顯的界面電勢(shì)差，且具備較高的本征界面電容，為高效離子-電子耦合提供了基礎(chǔ)。

圖1 | 可逆發(fā)電的設(shè)計(jì)原理。 通過界面氧化還原反應(yīng)介導(dǎo)的可逆界面離子振蕩的發(fā)電過程示意圖。AEPG由固有不對(duì)稱離子電子界面和可控能量釋放門組成。固有不對(duì)稱界面促進(jìn)離子-電子耦合相互作用，能量釋放門優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換路徑，協(xié)同確保巨大的電力輸出。

圖2 | 固有不對(duì)稱離子電子界面的納米結(jié)構(gòu)與界面不對(duì)稱性表征。 a. MnO?納米顆粒的SEM圖像。b. MXene納米片的TEM圖像。c. 在纖維素支架上組裝的多孔MXene膜的SEM圖像。d. MnO?和MXene薄膜在NaCl水溶液（200 mM）中的Zeta電位。e, f. MnO?（e）和MXene（f）的相對(duì)表面電勢(shì)。g. MnO?和MXene薄膜的UPS光譜比較。h. 用于分析本征電容的-Z″與1/2πf的線性關(guān)系。i. 表面電荷與離子吸附的不對(duì)稱離子電子界面特性示意圖。

在發(fā)電性能方面，基于MnO?與MXene構(gòu)建的AEPG單元在無需外部充電的情況下，可實(shí)現(xiàn)0.45 V的開路電壓和30 mA的短路電流，并具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，僅具有不對(duì)稱性但界面電容較低的材料組合（如MnO?-石墨）則電流輸出很小，說明界面電容與不對(duì)稱性共同決定了高性能輸出。引人注目的是，研究團(tuán)隊(duì)引入了“能量釋放門”設(shè)計(jì)，通過光、熱、力等環(huán)境觸發(fā)實(shí)現(xiàn)間歇性能量釋放。實(shí)驗(yàn)表明，帶有能量釋放門的AEPG在115小時(shí)內(nèi)累積輸出能量密度達(dá)543 J m?2，是無門裝置的33倍，證明了該設(shè)計(jì)在優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換路徑中的關(guān)鍵作用。

圖3 | 不對(duì)稱電極發(fā)電機(jī)的循環(huán)發(fā)電性能。 a. 對(duì)稱與不對(duì)稱電極對(duì)器件的開路電壓和短路電流比較。b. 長(zhǎng)時(shí)間短路放電后AEPG的電壓演變。c. 重復(fù)放電/再生循環(huán)過程中的電壓-時(shí)間曲線。d. 無能量釋放門的AEPG電流-時(shí)間曲線。e. 無能量釋放門裝置的電能密度輸出。f. 帶能量釋放門的AEPG電流-時(shí)間曲線。g. 帶能量釋放門裝置的電能密度輸出。

為揭示其工作機(jī)制，團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)石英晶體微天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面離子質(zhì)量變化，發(fā)現(xiàn)放電時(shí)離子脫離界面，再生成時(shí)重新吸附，證實(shí)了可逆離子振蕩的存在。原位拉曼光譜和X射線光電子能譜顯示電極材料在循環(huán)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，溶解氧在再生過程中被消耗，并檢測(cè)到羥基自由基的生成，說明界面氧化還原反應(yīng)介導(dǎo)了電荷轉(zhuǎn)移，為離子再吸附和能量再生提供了驅(qū)動(dòng)力。

圖4 | 工作機(jī)制分析。 a. 循環(huán)發(fā)電的擬議工作原理示意圖。b. 原位電化學(xué)石英晶體微天平測(cè)試示意圖。c. 發(fā)電過程中MnO?和MXene電極的質(zhì)量變化隨時(shí)間曲線。d. 放電/再生循環(huán)中MnO?和MXene電極的電勢(shì)演變。e. 循環(huán)發(fā)電過程中電極材料的等高線型原位拉曼光譜。f. 溶解氧濃度隨時(shí)間變化。g. 發(fā)電前后電極對(duì)的電子順磁共振譜。

該發(fā)電機(jī)具備良好的可擴(kuò)展制造與柔性集成潛力。利用連續(xù)涂布與浸涂工藝，團(tuán)隊(duì)成功制備出長(zhǎng)達(dá)4.5米的電極卷材，并可組裝成A4紙尺寸的大面積器件，短路電流超過5 A。通過串聯(lián)集成，電壓可隨單元數(shù)量線性提升。此外，器件在千次彎曲后仍保持95%的電流輸出，體積功率密度在5 Ω負(fù)載下達(dá)3680 W m?3，優(yōu)于以往報(bào)道的各類離子電子發(fā)電機(jī)。

圖5 | AEPG的可擴(kuò)展性與柔性。 a. 長(zhǎng)度達(dá)4.5米、寬度9厘米的MnO?電極卷材照片。b. 不同器件面積的AEPG短路電流曲線。c. 不同串聯(lián)單元數(shù)的AEPG開路電壓曲線。d. 本工作與以往報(bào)道的其他類型離子電子發(fā)電機(jī)短路電流的系統(tǒng)比較。e. AEPG在不同負(fù)載電阻下的體積功率密度。f. 不同彎曲循環(huán)后的電流保持率。插圖為彎曲中的AEPG照片。

在應(yīng)用演示中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款自供電智能紡織品，集成AEPG發(fā)電單元、人體運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的能量釋放門、電源管理模塊與微控制器，能夠?yàn)橹悄苁謾C(jī)充電、驅(qū)動(dòng)柔性光纖發(fā)光顯示器，并實(shí)現(xiàn)溫濕度環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示。該系統(tǒng)可為對(duì)環(huán)境感知能力較弱的人群提供及時(shí)的環(huán)境反饋與穿著指導(dǎo)，體現(xiàn)出其在可穿戴健康與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)用前景。

圖6 | 自供電智能可穿戴紡織品的應(yīng)用演示。 a. 實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能可穿戴紡織品示意圖。b. 集成自供電系統(tǒng)、體耦合能量釋放門、指示燈、環(huán)境傳感器和顯示紡織品的智能可穿戴紡織品照片。c. 服裝內(nèi)表面自供電系統(tǒng)照片。d. 自供電智能紡織品的電路設(shè)計(jì)示意圖。e. 集成AEPG充電的30 mAh鋰離子電池電壓-時(shí)間曲線。f. 自供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出電壓。g. 自供電系統(tǒng)為智能手機(jī)充電的照片。h. 用于智能顯示與環(huán)境監(jiān)測(cè)（溫濕度）的智能紡織品照片。

該研究通過結(jié)合固有不對(duì)稱離子電子界面與可控能量釋放門，實(shí)現(xiàn)了離子電子發(fā)電機(jī)在功率、電流和可擴(kuò)展性方面的重大突破。其“緩慢收集–集中釋放”的工作模式為從低品位環(huán)境能源中獲取高性能電能提供了新范式。該成果不僅推動(dòng)了高性能離子電子電源的發(fā)展，也為面向下一代柔性電子與自供電系統(tǒng)的界面工程策略指明了方向。