柔性電子器件作為一種可彎曲、可形變的新型電子器件，日益受到廣泛關(guān)注。近年來的科學(xué)研究也推動(dòng)了柔性電子器件在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，但現(xiàn)有的柔性電子器件依然存在質(zhì)量大、形變不易恢復(fù)等不足之處。因此，制備機(jī)械穩(wěn)定性高、質(zhì)量小的柔性電子器件迫在眉睫。

海綿是一種形變可逆的多孔材料，其已被廣泛應(yīng)用在儲(chǔ)能、傳感器、光催化等領(lǐng)域。目前研究的海綿主要分為兩大類：一類是基于三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)的石墨烯和金屬泡沫海綿等；另一類是彈性聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯(PU)海綿。

在上述海綿中，基于PDMS的海綿具有抗疲勞性好、壽命長(zhǎng)、易于修飾、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在傳感器等柔性電子產(chǎn)品的制造方面具有巨大的應(yīng)用潛力。?

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員課題組和深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院周學(xué)昌副教授研究團(tuán)隊(duì)合作，首次利用聚吡咯-銅金屬海綿制備了一種集能量轉(zhuǎn)換和能量存儲(chǔ)功能于一體的柔性電子器件。

依據(jù)現(xiàn)有的非電沉積法，深圳大學(xué)碩士生楊夢(mèng)嫣制備得到了易形變、密度小的銅金屬海綿。北京納米能源所博士研究生李喆和助理研究員胡寬通過附載聚吡咯，制備了柔性、穩(wěn)定的聚吡咯-銅金屬海綿，使這種復(fù)合海綿具有較穩(wěn)定的高導(dǎo)電性，為摩擦納米發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容器同時(shí)提供了更為優(yōu)質(zhì)的柔性電極選擇。

他們將聚吡咯-銅金屬海綿用在電容器上，與聚乙烯醇-氫氧化鉀凝膠組裝成三明治結(jié)構(gòu)，得到了一種全固態(tài)雙電極超級(jí)電容器。

一方面利用來自于銅金屬海綿內(nèi)表面較高的雙電層電容，另一方面來源于聚吡咯產(chǎn)生的贗電容，實(shí)現(xiàn)了電容器結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化，有效提高了電容器的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，也增加了界面處的感應(yīng)電流。

博士研究生鄒洋利用聚吡咯-銅金屬海綿作為納米發(fā)電機(jī)的摩擦層又作為電極層，制備了多孔、質(zhì)輕的單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)，并通過材料本身處理，有效提高了納米發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出。研究人員將以上摩擦納米發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容器組裝成一個(gè)器件，制得了集能量轉(zhuǎn)換和能量存儲(chǔ)功能于一體的柔性電子器件。?

該器件在不改變性能的情況下，可被壓縮50%?或彎曲180°，適用于可穿戴裝置。摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的2.4V電壓的能量能被存儲(chǔ)在與其串聯(lián)的多個(gè)超級(jí)電容器中，并可驅(qū)動(dòng)LED燈工作。

該研究工作為聚吡咯-銅金屬海綿的應(yīng)用提供了新方向，也為可穿戴電子器件和彈性多功能能量存儲(chǔ)復(fù)合系統(tǒng)的研制提供了新思路。?

納米能源所博士生李喆、鄒洋、胡寬博士以及深圳大學(xué)碩士生楊夢(mèng)嫣為共同第一作者。李舟研究員和周學(xué)昌副教授為共同通訊作者。

Li Z, Hu K, Yang M, et al. Elastic Cu@ PPy sponge for hybrid device with energy conversion and storage[J]. Nano Energy, 2019.