北理工课题组在超快构筑储能和传感集成器件方面取得进展
供稿、供图：皇冠体育 编辑：田柳
近日，皇冠体育测评-2025体育博彩市场趋势及平台推荐 /机械与车辆皇冠体育 博士后李向阳以第一作者在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表题为“Seconds-Integrated Monolithic System of Zn-Ion Micro-Battery and Multi-Functional Sensors for Robotic Autonomous Tactile Sensing”的研究论文（DOI: 10.1002/adma.202520257）。北京理工大学为论文第一通讯单位，皇冠体育测评-2025体育博彩市场趋势及平台推荐 赵扬教授为通讯作者。北京理工大学机械与车辆皇冠体育 李欣教授与赵杰亮教授为本研究的合作者。本研究得到了国家自然科学基金、京津冀基础研究合作专项等项目支持。
随着物联网、人工智能和智能机器人技术的快速发展，对具备能量存储与多模态感知功能的高度集成微系统的需求日益迫切。然而，传统制造方法往往面临制备效率低、界面不兼容、信号干扰严重等问题，限制了系统整体性能的提升。针对这一挑战，研究团队提出了一种基于焦耳热效应的超快构筑策略，实现了在8秒内完成无负极锌离子微电池与温湿度传感器的一体化单片集成。
该策略利用石墨纸的高导电性和高热导率，通过局部焦耳热效应快速激活前驱体墨水，不仅实现了功能材料（ZnMn2O4、G@NiO、G@WO3）的超快合成，还在材料中原位引入氧空位，显著提升了电化学活性。所构筑的无负极锌离子微电池表现出高达850 μAh cm-2的面容量和1060 μWh cm-2的能量密度，优于目前已报道的大多数水系锌基微电池。该电池可在约150秒内快速充电，单次充满电后可支持集成系统连续工作超6小时，低功耗模式下续航可达24小时。
更为重要的是，该柔性单片系统成功集成于机器人手臂上，结合机器学习算法，实现了对环境温湿度的自主感知与物体识别分类，识别准确率超过99%。该系统不仅具备优异的机械柔性和界面稳定性，还能在复杂形变下保持稳定传感性能，展现出在智能机器人、人机交互、可穿戴健康监测等领域的广阔应用前景。
图1. 集成系统的制造过程示意图
图1展示了通过焦耳热策略在石墨纸基底上快速构筑锌离子微电池与温/湿度传感器的过程。通过局部焦耳加热，各功能模块在8秒内完成材料合成与一体化集成，界面融合良好，无需额外粘结剂或后处理。
图2. 微电极材料的形貌与结构表征
扫描电镜和透射电镜图像显示，ZnMn2O4、G@NiO和G@WO3纳米颗粒均匀分布于石墨纸表面，形成紧密结合的界面结构。高分辨晶格条纹和元素分布图进一步证实了材料的成功合成。
图3. 锌离子微电池的电化学性能
所构筑的无负极锌离子微电池在电流密度为0.5 mA cm-2时面容量达850 μAh cm-2，能量密度为1060 μWh cm-2，循环性能稳定，优于大多数水系锌基微电池。
图4. 传感器的响应性能
温/湿度传感器在宽范围（10%~90% RH，20 °C~60 °C）内表现出高灵敏度和快速响应/恢复能力，且在不同弯曲角度下性能稳定，展现出优异的柔性和可靠性。
图5. 集成系统的机器人应用演示
将集成系统附着于机器人手臂末端，实现对不同温湿度物体的识别与分类。结合神经网络模型，系统对九类温湿度组合的分类准确率达99.89%，并在抓取任务中成功实现自主决策与分类操作。
综上，本研究提出了一种基于焦耳热效应的超快一体化构筑策略，成功解决了多功能微系统在制造效率、界面兼容性和信号干扰方面的关键难题。该策略不仅实现了高性能锌离子微电池与传感器的无缝集成，还展示了在智能机器人中的实际应用潜力，为下一代自主微系统的发展提供了新的技术路径。
原文链接//doi.org/10.1002/adma.202520257.
附通讯作者简介：
赵扬，国家级青年人才，皇冠体育测评-2025体育博彩市场趋势及平台推荐 长聘教授、博士生导师。以通讯作者（或第一）身份发表SCI论文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，累计共发表SCI论文百余篇，文章引用次数达万余次。4篇入选ESI高被引论文（Top 1%）。主持国家自然科学基金面上项目、GF基础加强领域基金项目、北京市自然科学基金项目、京津冀基础研究合作专项等，同时参与多项国家重大基础研究发展（973）计划课题、重点研发计划项目、军口预研项目等。担任国际期刊Nano Research Energy期刊-青年编委、Energy Materials青年编委、Nanomaterials、Frontiers in Catalysis的编辑委员。
（审核：王振华）
