哈工大田艳红等：界面工程策略构筑高输出可拉伸湿气发电机

Interfacial Engineering for High‑Output, Mechanically Robust Fully Stretchable Moisture‑Electric Generators

Qi Meng, He Zhang*, Jiayun Feng, Minghan Yu, Yuxin Sun, Shujun Wang, Yuxiang Sun, Mingze Sun, Jie Xu, Haijiao Xie, Qing Sun*, Yanhong Tian*

Nano-Micro Letters (2026)18: 379

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02234-4

本文亮点

1. 低阻界面，高效输出：报道了一种具有本征粘附性的水凝胶，可形成牢固的水凝胶-电极界面，有效降低界面电阻，能实现形变过程中电荷的高效传递。该器件在85%相对湿度下获得0.94 V的开路电压和141 μA cm⁻²的电流密度，并稳定输出超过220小时。

2. 强韧界面，长效稳定：增强的界面赋予器件卓越的机械鲁棒性，在8000次折叠循环和1000次拉伸循环后性能衰减可忽略不计。同时，凭借快速的湿度响应和持续供电能力，该器件可实现非侵入式呼吸监测，并直接驱动可穿戴电子产品。

研究背景

可穿戴与植入式电子器件需要柔软、可拉伸且在动态环境下稳定供能的能源。然而，同时满足机械适应性与全天候稳定输出仍是一大挑战。传统电池虽能量密度高，但寿命有限且需频繁充电；而压电或摩擦电纳米发电机则依赖间歇性机械刺激，输出不连续。基于水凝胶的湿气发电机(HMEGs)通过离子迁移将环境湿气转化为电能，可实现全天候高电流输出，因而成为一种有前景的解决方案。然而，完全可拉伸的水凝胶湿气发电机(FSHMEGs)面临功能层间界面粘附弱的关键问题，导致在复杂形变下电输出低且机械性能脆弱。在传统HMEGs中，水凝胶与电极接触不紧密，易产生气隙并增加电阻，抑制电输出；薄弱的界面在应变下容易分层，进一步导致性能下降甚至器件失效。单纯依靠模量匹配虽可改善协同变形能力，仍无法确保界面的长期牢固。此外，水凝胶还需具备抗水分流失与抗冻能力。因此，通过材料设计解决电极与水凝胶之间的界面脆弱问题，对于实现可穿戴FSHMEGs的耐用、全天候运行至关重要。

内容简介

针对可拉伸水凝胶湿气发电机中因水凝胶与电极界面粘附较弱而导致的电输出性能不足及机械稳定性差等问题，哈尔滨工业大学田艳红团队提出了一种通过调控功能层间界面粘附性来提升器件性能的界面工程策略。该研究将溶胀于水-甘油二元溶剂中的高粘附性水凝胶集成在液态金属与可拉伸银电极之间，构建出全可拉伸的湿气发电机。甘油的引入暴露出更多的氢键官能团，增加了水凝胶与电极之间的有效接触位点，从而显著增强了界面粘附性。所形成的牢固且耐用的水凝胶-电极界面不仅降低了界面电阻，确保了应变条件下的高效电荷传输，还防止了在大形变下发生分层。这与因界面间隙形成而导致性能下降的弱粘附体系形成了鲜明对比。此外，甘油的存在还赋予水凝胶优异的抗干燥、抗冻及抗溶胀性能，从而实现了器件的超长稳定运行。该研究凸显了以界面为核心的设计理念在柔性能源系统中的重要性，并为提升柔性电子器件的界面可靠性提供了一种通用策略，为开发在复杂环境和机械条件下长期工作的自供电可穿戴设备开辟了新的路径。

图文导读

I 可拉伸水凝胶基湿气发电机设计原理

如图所示，通过采用高粘附性水凝胶(HAH)构建多层可拉伸水凝胶湿气发电机(FSHMEG)的稳固界面，实现了层间高效的电荷传递与机械载荷转移。该器件将溶胀于水-甘油二元溶剂中的粘附性水凝胶集成于液态金属与可拉伸银电极之间，形成全可拉伸结构。甘油的引入增强了界面粘附，构筑出强韧耐用的水凝胶-电极界面，从而降低了界面电阻，并防止大变形下的分层失效。得益于上述设计，FSHMEG器件展现出优异的机械适应性与连续稳定的电能输出，适用于长期可穿戴应用。该器件可与口罩、人体皮肤等弯曲表面共形贴合，在80%拉伸应变下仍保持高电流输出，性能是基于弱粘附性水凝胶(PAH)器件的2.1倍。这归因于HAH中牢固的界面接触确保了应变下的高效电荷转移，与因界面间隙形成而性能下降的弱粘附体系形成鲜明对比。此外，甘油赋予水凝胶出色的抗干燥、抗冻及抗溶胀性能，使其在85%相对湿度下稳定运行超过220小时。总体而言，所开发的FSHMEG在输出电压、电流、可变形性、贴合性及耐用性方面均表现卓越，彰显了其在下一代柔性与生物集成电子器件中的巨大应用潜力。

图1. 全可拉伸水凝胶基湿气发电机设计与实现。

II 可拉伸水凝胶湿气发电机电输出性能

众所周知，在HMEG中，质子或阳离子的定向迁移是电能产生的关键过程，而水凝胶-电极界面则是电荷转移的核心路径。HAH通过引入甘油，减弱聚合物链周围的水化层，暴露出更多促进氢键与界面粘附的官能团，从而增强水凝胶的粘附性。FTIR结果表明，含甘油水凝胶的羟基和羰基峰更为显著，证明其氢键形成能力与粘附性能的提升。该水凝胶对金属、玻璃、塑料等多种材料均表现出优异的粘附性，其中HAH与Ecoflex-LM电极的界面韧性是纯水基水凝胶的2.4倍。

紧密的水凝胶-电极接触有利于高效界面电荷转移，从而提升电输出性能。EIS测试进一步证实，HAH-电极界面的半圆直径较小，表明其具有更低的电荷转移电阻和更优的界面电荷传输能力。基于此，制备的FSHMEG可在较宽湿度范围内稳定工作。在85%相对湿度下，基于HAH的FSHMEG实现了约0.94 V的开路电压与141 μA的短路电流；即使在25%的低湿度条件下，仍能保持高于0.5 V的开路电压与20 μA的短路电流，展现出全天候运行能力。该性能优于其他基于先进材料设计的可拉伸MEGs，充分凸显了粘附性界面工程在提升电性能方面的关键作用。

图2. FSHMEGs的发电性能。

III 界面粘附增强离子传输机理分析

本研究结合AIMD模拟与DFT计算，揭示了离子在高粘附性水凝胶-电极界面上的快速迁移机制。相较于PAH，HAH中液态金属-水凝胶界面处的金属离子表现出显著更高的均方位移和更快的迁移速率，且在迁移相同距离时需克服的自由能垒明显更低。此外，HAH的静电势分布范围更广，并在约20%的区域内具有更高的绝对静电势值。简而言之，甘油对水的强亲和力破坏了PAA链周围的水合层，促使分子链伸展并暴露出可形成分子间氢键的官能团，从而增强界面粘附力。这一增强的粘附力加速了界面处的离子扩散，同时甘油的亲水性提升了大气水分的捕获能力，最终共同促成了基于HAH的FSHMEG优异的发电性能。

图3. 界面离子传输的机理分析。

IV 机械稳定性

作为可穿戴电子设备的能源供应装置，在重复且复杂的机械变形下保持稳定运行至关重要，而决定其机械耐久性的关键因素在于层间界面的完整性。有限元分析进一步表明，强界面粘附能够有效均匀化三明治结构器件内部的应力分布；反之，弱界面则易引发局部应力集中，从而导致界面失效。这一预测与实验观察高度吻合。HAH所带来的增强界面内聚力，赋予了器件卓越的机械鲁棒性和稳定的电学性能。在不同应变范围内，基于HAH的FSHMEG在开路电压和短路电流方面均优于基于PAH的器件。此外，在80%应变下经过1040次拉伸循环后，基于HAH的器件仍能保持稳定运行，而基于PAH的器件则在280次循环后即失效。在180°弯曲角度下经过8000次弯曲循环后，其性能衰减亦可忽略不计。值得注意的是，基于HAH的FSHMEG在电压输出和耐久性方面均优于已有报道的可拉伸MEG，充分彰显了本界面工程策略在构建本质可靠且可形变的能源系统方面的有效性，为下一代可穿戴电子设备提供了有力支撑。

图4. FSHMEG的机械稳定性。

V 在柔性电子中的应用

基于HAH的FSHMEG能够为可穿戴电子设备提供可靠的电源，其最高功率密度可达10.89 µW cm⁻²。通过模块化集成，20个单元串联可产生约17.2 V的电压，而采用并联配置则能将电流提升至约2.8 mA。所产生的电能可按需存储于商用电容器中，方便灵活使用。FSHMEG具有快速的湿气响应能力，可用于实时、无创的呼吸监测。呼吸监测对于诊断睡眠呼吸暂停等需要连续即时评估的疾病具有重要临床价值。将FSHMEG与蓝牙模块集成后，能够无线、灵敏地追踪呼吸频率的变化，展现出在无创筛查睡眠呼吸暂停方面的强大潜力。此外，该器件还可作为贴合皮肤、持续供电的电源，为可穿戴电子设备提供能量支持。即使在环境条件下暴露四天后，FSHMEG依然能够为心电图模块供电，并实现稳定的信号采集。

图5. FSHMEG在可穿戴电子设备中的应用。

VI 总结

本研究证明，界面鲁棒性在决定柔性湿气发电器性能与稳定性方面起着决定性作用，然而这一点在以往研究中常被忽视。通过引入具有粘附性的水凝胶作为界面层，我们构建了一个稳定且共形的水凝胶-电极界面，有效缓解了界面失配问题，并抑制了机械变形所引发的分层现象。机理分析表明，甘油的加入增强了界面相互作用，促进了离子传输，从而降低了界面电阻，提高了电荷转移效率。最终，该器件实现了0.94 V和141 µA cm⁻²的高电输出，并在80%的拉伸应变下及经过1000次拉伸循环后，依然保持稳定的性能。更广泛来看，本研究不仅凸显了软能源系统中以界面为中心的设计理念的重要性，也为提升柔性电子器件的界面可靠性提供了一种通用策略，为开发可在复杂环境与机械条件下长期稳定运行的自供电可穿戴设备开辟了新的可能。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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