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  可穿戴電子設備在“運動—貼膚—彎折”的動態場景中對儲能器件提出了嚴苛挑戰：不僅需耐受反復充放電，更需在形態變化與界面摩擦中保持電化學穩定性。傳統熱驅動形狀記憶器件常依賴60℃以上高溫觸發變形，存在火災或爆炸風險；同時，電極與電解質間的界面應力失配易導致分層，引發電荷傳輸效率下降及器件失效。

  近日，中國科學院長春應用化學研究所張強研究員和盧宇源研究員合作，在該領域取得突破性進展。他們開發的光驅動形狀記憶超級電容器（LSMSC），通過光控形狀記憶與熔融界面構建的協同設計，實現了溫和條件下的遠程精準形變與多次形狀切換中的電化學穩定性，為可穿戴儲能設備提供了更安全、耐久的新策略。

  2025年9月26日，相關成果以《Delamination-Resistant and Light-Induced Shape-Memory Supercapacitors for Wearable Devices》為題發表于Advanced Functional Materials，博士生趙翊州為第一作者。

一、核心創新：光驅動形狀記憶與熔融界面的一體化設計

  團隊設計的LSMSC采用“基材-電極-電解質”三層結構，通過再水化法制備，其核心突破體現在兩方面：

  （1）光響應形狀記憶基材：以聚氨酯為骨架，引入肉桂基團作為光響應單元。365 nm紫外光照射下，肉桂基團的共軛二烯鍵發生環加成反應，形成四元環交聯點以固定臨時形狀；254 nm紫外光照射時，四元環裂解，材料在永久交聯網絡支撐下恢復原始形態，實現可逆光驅動形狀記憶。

  （2）抗分層熔融界面：通過脫水水凝膠電極與水凝膠電解質的接觸，利用滲透壓驅動電極自發從電解質中吸收水分（再水化過程），形成緊密融合的界面。該界面通過聚合物鏈纏結與氫鍵作用增強黏附，同時縮短電荷傳輸距離，抑制分層。

圖1. 抗分層光致形狀記憶超級電容器結構與原理示意圖

二、性能優勢：光控形變、力學穩健與界面穩定

  （1）光驅動形狀記憶性能：基材在365 nm/254 nm紫外光切換下可反復變形為“S”“O”“L”“8”等復雜形態，形狀恢復率達95.5%；同時具備12.1 MPa斷裂應力與101.2 MPa拉伸模量，確保器件在形變中結構完整（圖2）。

圖2.（a）Cin-PU合成路線；（b）不同肉桂基團含量Cin-PU-x%的應力?應變曲線；（c）Cin-PU-x%楊氏模量與肉桂基團含量的關系；（d）Cin-PU-x%斷裂應力及斷裂應變與肉桂基團含量的關系；（e）Cin-PU-30%的光驅動形狀記憶行為；（f）Cin-PU-x%形狀記憶固定率及恢復率與肉桂基團含量的關系；（g）365 nm紫外光照射后不同肉桂基團含量Cin-PU-x%的應力?應變曲線。

  （2）界面與電化學性能：再水化法使電極電導率從0.3 S·cm?1提升至13.3 S·cm?1，界面傳質電阻從1122 Ω降至41 Ω；界面黏附應力達40 kPa（較原始堆疊界面提升7倍），水凝膠經113 mm移動的剝離測試仍未完全脫離（圖3）。這一顯著的界面強化效應，歸因于再水化過程中聚合物分子鏈間形成的鏈纏結與氫鍵網絡。

圖3.（a）水凝膠結構示意圖；（b）不同肉桂基團含量CH-x%的應力–應變曲線；（c）CH-15%儲能模量G''''及損耗模量G''''''''的頻率依賴性；（d）CH-15%的損耗因子tanδ；（e）CH-15%儲能模量G''''及損耗模量G''''''''的應變依賴性；（f）CH-15%在階躍應變γ=3%和100%下的動態響應；（g）水凝膠電極脫水-再水化過程中相對重量、厚度及電導率變化；（h）融合電極–電解質界面的EIS擬合電路、曲線及電荷轉移電阻R_ct；（i）水凝膠電極與電解質的界面粘附曲線。

  （3）長期循環穩定性：器件展現典型雙電層電容特性（矩形CV曲線、對稱GCD曲線），庫侖效率99.2%，10000次充放電循環后電容保持率達94.8%，優于多數已報道的形狀記憶超級電容器（圖4）。

圖4.（a）超級電容器形狀編輯過程示意圖；（b）不同掃描速率下超級電容器的CV曲線；（c）峰值電流與掃描速率的關系；（d）比電容C_sp與掃描速率的關系；（e）超級電容器的EIS擬合電路、曲線及電荷轉移電阻R_ct；（f）0.5–10 A g?1電流密度下的GCD曲線，插圖：0.5Ag?1時的IR降；（g）0.5 A g?1下不同電壓窗口的GCD曲線；（h）0–0.6 V電壓窗口下的 Ragone圖能量密度?功率密度關系；（i）10000次充放電循環的電容保持率；（j）與文獻報道超級電容器的電容保持率對比。

三、應用驗證：動態形變下的電化學穩定性

  實際測試表明，LSMSC在365 nm/254 nm紫外光驅動下可精準切換為“U”“O”“S”“L”等形狀，且不同形態下的CV、GCD曲線幾乎重疊，比電容值保持不變。經10次“L”形變形-恢復循環后，電容保持率仍達96.8%。將三個預充電器件串聯（原始形態、“U”形、“O”形），可成功驅動手表與LED發光，驗證了其復雜形變下的功能可靠性（圖5）。

圖5.（a）超級電容器在原始形態及“U”“O”“S”“L”形下的CV曲線（100mVs?1）；（b）超級電容器在原始形態及“U”“O”“S”“L”形下的GCD曲線（0.5Ag?1）；（c）超級電容器在原始形態及“U”“O”“S”“L”形下的比電容（100mVs?1）；（d）10次“L”形記憶循環過程中的CV曲線；（e）10次“L”形記憶循環過程中的GCD曲線；（f）10次“L”形記憶循環的比電容保持率；（g）單只、兩只及三只超級電容器串聯的GCD曲線；（h）三只超級電容器串聯供電手表的實物圖；（i）三只超級電容器串聯供電LED的實物圖。

四、總結與展望

  該工作通過肉桂基團光響應設計與再水化熔融界面構建，首次同步實現了光驅動形狀記憶與抗分層的雙重功能，突破了傳統熱驅動器件的溫度限制與界面穩定性瓶頸。這種“形狀記憶+界面穩固”的一體化策略為可穿戴電子設備提供了安全、耐久的儲能解決方案，也為智能響應型電化學器件的設計開辟了新路徑。

  原文鏈接：http://doi.org/10.1002/adfm.202517205