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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院/機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院博士后李向陽(yáng)以第一作者在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》發(fā)表題為“Seconds-Integrated Monolithic System of Zn-Ion Micro-Battery and Multi-Functional Sensors for Robotic Autonomous Tactile Sensing”的研究論文（DOI: 10.1002/adma.202520257）。北京理工大學(xué)為論文第一通訊單位，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚(yáng)教授為通訊作者。北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院李欣教授與趙杰亮教授為本研究的合作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、京津冀基礎(chǔ)研究合作專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目支持。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和智能機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)具備能量存儲(chǔ)與多模態(tài)感知功能的高度集成微系統(tǒng)的需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)制造方法往往面臨制備效率低、界面不兼容、信號(hào)干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，限制了系統(tǒng)整體性能的提升。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于焦耳熱效應(yīng)的超快構(gòu)筑策略，實(shí)現(xiàn)了在8秒內(nèi)完成無(wú)負(fù)極鋅離子微電池與溫濕度傳感器的一體化單片集成。

該策略利用石墨紙的高導(dǎo)電性和高熱導(dǎo)率，通過(guò)局部焦耳熱效應(yīng)快速激活前驅(qū)體墨水，不僅實(shí)現(xiàn)了功能材料（ZnMn₂O₄、G@NiO、G@WO₃）的超快合成，還在材料中原位引入氧空位，顯著提升了電化學(xué)活性。所構(gòu)筑的無(wú)負(fù)極鋅離子微電池表現(xiàn)出高達(dá)850 μAh cm^-2的面容量和1060 μWh cm^-2的能量密度，優(yōu)于目前已報(bào)道的大多數(shù)水系鋅基微電池。該電池可在約150秒內(nèi)快速充電，單次充滿(mǎn)電后可支持集成系統(tǒng)連續(xù)工作超6小時(shí)，低功耗模式下續(xù)航可達(dá)24小時(shí)。

更為重要的是，該柔性單片系統(tǒng)成功集成于機(jī)器人手臂上，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度的自主感知與物體識(shí)別分類(lèi)，識(shí)別準(zhǔn)確率超過(guò)99%。該系統(tǒng)不僅具備優(yōu)異的機(jī)械柔性和界面穩(wěn)定性，還能在復(fù)雜形變下保持穩(wěn)定傳感性能，展現(xiàn)出在智能機(jī)器人、人機(jī)交互、可穿戴健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖1. 集成系統(tǒng)的制造過(guò)程示意圖

圖1展示了通過(guò)焦耳熱策略在石墨紙基底上快速構(gòu)筑鋅離子微電池與溫/濕度傳感器的過(guò)程。通過(guò)局部焦耳加熱，各功能模塊在8秒內(nèi)完成材料合成與一體化集成，界面融合良好，無(wú)需額外粘結(jié)劑或后處理。

圖2. 微電極材料的形貌與結(jié)構(gòu)表征

掃描電鏡和透射電鏡圖像顯示，ZnMn₂O₄、G@NiO和G@WO₃納米顆粒均勻分布于石墨紙表面，形成緊密結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)。高分辨晶格條紋和元素分布圖進(jìn)一步證實(shí)了材料的成功合成。

圖3. 鋅離子微電池的電化學(xué)性能

所構(gòu)筑的無(wú)負(fù)極鋅離子微電池在電流密度為0.5 mA cm^-2時(shí)面容量達(dá)850 μAh cm^-2，能量密度為1060 μWh cm^-2，循環(huán)性能穩(wěn)定，優(yōu)于大多數(shù)水系鋅基微電池。

圖4. 傳感器的響應(yīng)性能

溫/濕度傳感器在寬范圍（10%~90% RH，20 °C~60 °C）內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度和快速響應(yīng)/恢復(fù)能力，且在不同彎曲角度下性能穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的柔性和可靠性。

圖5. 集成系統(tǒng)的機(jī)器人應(yīng)用演示

將集成系統(tǒng)附著于機(jī)器人手臂末端，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫濕度物體的識(shí)別與分類(lèi)。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，系統(tǒng)對(duì)九類(lèi)溫濕度組合的分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)99.89%，并在抓取任務(wù)中成功實(shí)現(xiàn)自主決策與分類(lèi)操作。

綜上，本研究提出了一種基于焦耳熱效應(yīng)的超快一體化構(gòu)筑策略，成功解決了多功能微系統(tǒng)在制造效率、界面兼容性和信號(hào)干擾方面的關(guān)鍵難題。該策略不僅實(shí)現(xiàn)了高性能鋅離子微電池與傳感器的無(wú)縫集成，還展示了在智能機(jī)器人中的實(shí)際應(yīng)用潛力，為下一代自主微系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。

原文鏈接https://doi.org/10.1002/adma.202520257.

附通訊作者簡(jiǎn)介：

趙揚(yáng)，國(guó)家級(jí)青年人才，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院長(zhǎng)聘教授、博士生導(dǎo)師。以通訊作者（或第一）身份發(fā)表SCI論文50余篇，其中包括Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.等，累計(jì)共發(fā)表SCI論文百余篇，文章引用次數(shù)達(dá)萬(wàn)余次。4篇入選ESI高被引論文（Top 1%）。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、京津冀基礎(chǔ)研究合作專(zhuān)項(xiàng)等，同時(shí)參與多項(xiàng)國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展（973）計(jì)劃課題、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等。擔(dān)任國(guó)際期刊Nano Research Energy期刊-青年編委、Energy Materials青年編委、Nanomaterials、Frontiers in Catalysis的編輯委員。