可穿戴系统和智能纺织品因在健康监测、应急管理、工作安全、家庭能源管理和自我健康管理等领域展现出巨大的应用潜力而受到广泛关注。并且，随着物联网、虚拟/增强现实技术和机器人技术的发展，这种智能纺织品还可能将人类生活提升至新的水平。其中，柔性储能器件更是为可穿戴设备提供有力能源供给，从而推动可穿戴系统的发展。然而，与传统的储能设备一样，目前大多数柔性储能（如电池和超级电容器）设备也使用了有毒的电解液，在可穿戴设备使用时存在安全风险，限制了其应用发展。
汗液中含有大量正负离子（如K+、 Na+和Cl-），可通过电极表面离子的吸收和扩散作用而参与到电化学反应中，因此被应用于生物燃料电池以及疾病监测的生物传感器等领域。而这种离子反应在储能器件中的应用潜力，使得汗液有望作为一种无毒、环保的电解液应用于可穿戴储能设备中。
基于此，英国格拉斯哥大学Ravinder Dahiya教授课题组采用聚酯纤维素织物作为基底和隔膜材料，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)作为活性电极，制备了以汗液为电解液的织物基柔性超级电容器（SCs）。纤维素织物的高吸收率使得器件能够实现汗液的快速吸收。PEDOT:PSS活性材料同时具有电子导电与离子导电性、与织物的良好结合性能、易于低温制备以及良好的生物相容性等优点，使其作为柔性SCs的电极具有极大的应用潜力。结果显示，该工作中制备的织物基SCs具有优异的性能。并且将该电容器与汗液盐度检测的传感器结合，实现了一种自供电可穿戴系统的构建。该方法对生物流体的利用，为开发新型可穿戴设备提供了一种全新的设计思路，有望推动可穿戴电子领域发展。
该工作以题目为“A Wearable Supercapacitor Based on Conductive PEDOT:PSS-Coated Cloth and a Sweat Electrolyte”发表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2020, 1907254)上。
【图文详解】
本工作中基于PEDOT:PSS织物电极以及汗液电解液的可穿戴超级电容器（SCs）的结构示意图及机制分析如图1所示。带电的PEDOT:PSS与纤维素/聚酯织物上羟基之间的强静电和氢键相互作用使得两者稳定粘附。并且由于织物内天然纤维素的存在，为PEDOT:PSS电极提供了良好的润湿能力，有利于低量汗液电解液的浸润。这些特性使得SCs的电化学性能显著提高。此外，PEDOT:PSS共轭高分子膜的氧化还原反应和电极与电解液界面形成的高电化学双电层电容进一步促进SCs性能的提高。
PEDOT:PSS织物电极的具体制备过程如图2a所示，由于织物表面是凹凸不平的，该过程主要通过滴涂法完成。从扫面电镜图中我们看到整个织物表面PEDOT:PSS虽是不均匀分布，但放大图中纤维由PEDOT:PSS完全包覆，证明导电织物的成功制备。为了进一步提高织物电极的导电性，作者采用DMSO对PEDOT:PSS进行掺杂，从而更有利于提高SCs的性能。
超级电容器的电化学性能主要通过电化学阻抗谱(EIS)以及循环伏安法（CV）分析（图3）。电化学阻抗谱结果细致分析了包括离子交换、电荷转移、等效串联电阻(ESR)和电容等性能。低频区域直线表示离子扩散较慢，属于电极的电容行为。
较低的阻抗值表示汗液中离子在PEDOT: PSS电极上良好的扩散行为，这与织物电极的多孔性也密切相关。EIS图中高频区域没有半圆或电荷转移电阻(Rct)值较小，也表明电极在与汗液电解质反应时具有较高的电导率。
并且由于共轭聚合物中的氧化还原反应和电极的高电导率，在PEDOT:PSS电极表面形成了赝电容和电化学双电层，有效提高SCs性能。循环伏安法中高扫速下CV曲线呈现良好的矩形，表明该器件具有高功率密度的快速充放电特性。除了电容值外，器件的最大储能也取决于工作电位窗口，因此作者也对电位窗口进行了优化。通过相关性能测试发现，该SCs表现出优异的电化学性能，包括高的比电容以及较高的功率密度，并且器件具有良好的机械稳定性。
为了探索该器件的实际应用潜力，作者通过将器件集成到衣物上，分别测试了在不同出汗和运动条件下的两个人衣物上SCs的性能（图4）。第一个人是在公园跑步，由于人体出汗相对较少，只能部分浸湿器件，因此SCs性能相较于第二个人（室内跑步机运动，汗液完全浸润器件）差很多，表明该器件受汗液浸润性影响较大。结果显示，器件在汗液完全浸润条件下测试性能较好，说明其确实具有实际应用价值。因此，在实际应用器件时，作者会将器件集成到吸水性更强的运动带上，提高汗液对器件的浸润性，从而获得稳定的性能输出。
该工作中提出的汗液为电解液、PEDOT:PSS织物电极基SCs与已发表相关工作相比具有优异的性能（图5a），并且在排汗极低的情况下也具有不错的性能，说明其具有实际应用价值。而为了进一步展示该器件的应用潜力，作者将该SCs与织物基汗液盐度分析传感器结合，SCs作为能源器件为传感器供能。进一步地，再结合太阳能电池为SCs循环充电，从而构建一个自供电可穿戴系统（图5c），可用于汗液分析，实现人体健康监测。
【总结】
总的来说，本工作提出的利用生物流体（汗液）作为无毒、环保的电解液构筑可穿戴超级电容器的设计概念符合可穿戴储能器件安全、可持续的制备需求，为新型可穿戴器件设计提供一种新思路。同时，基于汗液的能源器件与传感器件的集成也使其在健康相关的可穿戴系统领域展现出巨大的应用潜力。
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