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随着柔性可拉伸电子设备的蓬勃发展,并且通过随身智能应用程序的配套使用,将我们的生活变得更为舒适与便捷。所以目前迫切地需要能够同时兼容弯曲,并且承受相应的形变的微电源,以实现智能系统的自主权。为了满足不断增长的需求,已经开发了多种类型的可变形能量存储系统来完成整个智能系统的需求。作为有希望的候选者之一,可拉伸的超级电容器具有高功率密度,快速充电能力,长循环稳定性以及特别高的安全性(由于通常使用水性电解质),吸引了许多研究人员的关注。在此基础上,我们设计了一种“电子/离子双重传输通道”结构的微型超级电容器,并通过与岛桥结构相结合,进一步构造出了可拉伸微型超级电容器阵列。本论文主要研究成果如下:设计出独特的过渡金属碳/氮化物(MXene)与通过在芯层中插入一维导电聚吡咯包裹细菌纤维素(BC@PPy)纤维搀杂的混合膜,在重新堆叠的MXene薄片之间合理的构造了电子/离子双重传输通道结构。“电子/离子双重传输通道设计”具有多个优点:(i)均匀插入层间的1D导电具有“核-壳结构”的BC@PPy纤维,不仅充当了层间支架,同时减轻了MXene片层之间的重新堆叠,以确保有更多的层间自由空间用于离子传输,有助于暴露更多的电荷存储活性位点,而且还充当了纳米锚,以增强MXene薄片之间的结合强度,从而提高了混合膜的机械性能;(ii)最引人注目的是,涂覆在插层的一维BC芯纤维上的PPy导电聚合物壳可以充当层间骨架,以沿着C轴方向在支撑开的MXene片层之间构造额外的电子传输通道,从而确保层间的电子传输,并因此缓解由于插入层间隔离物而引起的层间电导率下降;(iii)用作赝电容活性材料的PPy导电聚合物外壳,可以提供额外的氧化还原位点。这些优点,得益于MXene/BC@PPy混合膜中形态、成分和界面结构的合理设计,所产生协同作用的结果。实现了同时对层间电导率、空间和结合强度的调节,增强了面电容。与只含有MXene的重新堆叠的薄膜(86.59mF·cm-2/22.0 MPa)相比,MXene/BC@PPy混合膜可以达到221.21 mF·cm-2面电容和78.9 MPa的拉伸强度。我们又在MXene/BC@PPy混合膜中进行了平面电极配置的设计,并在它们之间引入了岛桥互连结构,使得微型超级电容器阵列(MSCA)之间的面电容达到200.47 mF·cm-2,能量密度达到/0.01 mWh·cm-2,并且进一步制造出可逆拉伸的MSCA,其拥有着高达200%伸长率的可拉伸性能。最终,基于有着高面积性能指标的有源膜电极,并且有着良好共面集成能力的器件布局、高可变形性的机械设计以及基于准确性和易操作性的柔性印刷电路制造方法的组合,高度可变形的集成可穿戴系统被制造了出来。这样的智能穿戴系统使用了可变形微功率单元的共面集成MSCA,并且使用了无线充电单元的感应线圈和用于功能单元的商用智能手表组成的系统,它们这样的组合具有出色的完整性、灵活性和可伸缩性,并且可以舒适地穿戴以进行动态计时和步数计数。所有结果都凸显了结构工程技术的有效性,该结构工程可以最大程度地提高可拉伸MSCA的重新堆叠的少层MXenes薄膜电极的面电容性能,并具有增强可穿戴电子设备中兼容的可变形能量存储的面性能指标。