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题目：用于具有超长稳定性的一体化可穿戴系统的无阴极水系微型电池构建集能量收集、能量存储和工作单元于一体化可穿戴电子系统，可以从根本上解决可持续能源供应、小型化和轻量化等问题，从而进一步实现商业化。在此，我们提出了一种由太阳能电池、无阴极锌离子微型电池（ZIMB）和压阻式压力传感器组成的一体化可穿戴系统，实现了超长稳定供电。在光电流的作用下，该集成系统可在初始无阴极基底上激发原位生成二氧化锰，同时转化为化学能为传感器供电，从而省去了储能装置阴极的前期准备和处理。平面结构的无阴极ZIMB结合一体化设计，增强了不同单元之间的匹配度，提高了集成度。通过多种原位表征和密度泛函理论（DFT）模拟，系统分析了无阴极 ZIMB 的工作机理。集成传感系统可持续照明 12.0 小时，实现了压力传感器长达15万次的超长能量供应。作为一个概念，该集成可穿戴电子设备被用于检测人体生理信号，在活动监测、智能机器人、人机交互和其他相关领域展示了潜在的应用。图1. 一体化可穿戴系统的工作机制
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(a) 用于驱动压力传感器的柔性光伏充电储能集成系统示意图。(b) 太阳能电池充电的无阴极 ZIMB 示意图，以及传感集成装置的相应光学照片。(c) 无阴极 ZIMB 的合成过程和电化学机理示意图。充放电过程中离子在石墨衬底上的反应过程示意图。
图2. 无阴极 ZIMB 的形貌和成分表征
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(a) 无阴极 ZIMB 的 GCD 曲线显示了 MnO2 的原位形成，插图显示了第一次充电前后电极表面的形态和微观结构变化。(b) 在 2.0 M ZnSO4 和 0.1 MnSO4 电解液中，第 1、2、5 和 10 次充电状态下阴极形态变化的扫描电镜图像。(c) MnO2 阴极的 STEM-HAADF 图像，插图显示了相应的傅立叶变换 (FFT) 点。(d) MnO2 的 STEM-HADDF 图像、明场图像和相应的元素图谱。(e) Zn 阳极的 SEM 图像。(f) MnO2 材料的拉曼光谱。二氧化锰的高分辨率 (g) Mn 2p 和 (h) Mn 3s XPS 光谱。(i) ZIMB 叉指电极的 SEM 图像和相应的元素映射。
图3. 无阴极 ZIMB 的电化学性能
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(a) ZIMB 在 0.20 至 1.00 mA cm-2 电流密度下的 GCD 曲线。(b) ZIMB 的倍率性能。(c) ZIMB 的奈奎斯特图和等效电路图。(d) ZIMB 在扫描速率为 0.10 至 1.00 mV s-1 时的 CV 曲线。(e) 用 log (i) 和 log (v) 拟合的 b 值曲线。(f）根据（b）计算得出的 ZIMB 电容贡献占比。电流密度为 (g) 0.10 mA cm-2 和 (h) 1.00 mA cm-2 时无阴极 ZIMB 的循环稳定性能。(i) ZIMB 的 GITT 曲线，І 和Ⅱ 区域对应放电过程中的扩散系数。(j) ZIMB 在充电和放电过程中的离子扩散系数。
图4. 无阴极 ZIMB 的储能机制
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(a) MnO2 在石墨纸上生长的原位光学图像。(b) MnO2/C 异质结构的电荷密度差俯视图和侧视图，黄/蓝云分别代表正/负电荷差（等势面 = 0.0008e bohr-3）。(c) MnO2/C 异质结构和体相 MnO2 的态密度（DOS）。(d) 电流密度为 0.10 mA cm-2 时 ZIMB 的 GCD 曲线。(e) MnO2 阴极的离位 XRD 图与（d）中不同的充放电状态（A-L）相对应。(f) MnO2 阴极的离位 SEM 图像与曲线 (d) 中的 A-L 相对应。(g) MnO2 阴极在不同充放电状态（A-L）下的串联电阻（Rs）和电荷转移电阻（Rct）。(h) ZIMB 的原位奈奎斯特图。
图5. 一体化可穿戴系统的应用潜力
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(a) 集成系统示意图。(b) 无阴极 ZIMB 在 0.20 mA cm-2 的电流密度下经过 12 和 24 小时光充电后的 GCD 曲线，插图为无阴极 ZIMB 的数码照片。(c) 在不同压力值下，由 ZIMB（由光伏板充电）驱动的压力传感器的 I-V 和 (d) I-T 曲线。(e) I-T 和 P-T 曲线的一致关系。(f) 手腕弯曲时压力传感器的电流变化。(g) ZIMB 驱动压力传感器在加载和卸载时 150,000 次循环下的长期循环稳定性。(h) ZIMB 为手机充电的数字图像。(i) ZIMB 驱动电子计时器长时间工作。
总之，本文设计了一种基于无阴极水系 ZIMB 的低成本、高集成度自供电传感系统。在光照下，活性二氧化锰直接形成 ZIMB 的阴极，同时驱动传感器实现超长时间稳定工作。此外，无阴极电池在光照充电后还能很好地为手机和数字仪表提供能量。原位 XRD、SEM 和 XPS 证明了 ZIMB 的储能机理，即 H+ 的插入/脱出和 MnO2 的沉积/溶解，同时伴随着 ZHS 的沉积/消失。ZIMB 具有优异的电化学性能，在电流密度为 1.0 mA cm-2 的条件下循环 600 次，其面积容量高达 0.215 mAh cm-2。自供电集成传感系统在光照下充电 12.0 小时后，可驱动传感器循环使用 15 万次。自供电集成系统不仅提高了设备的集成度和智能化程度，还增强了设备的独立性和环境适应性，在可穿戴电子设备中展现出良好的应用前景。Cathode-Free Aqueous Micro-battery for an All-in-One Wearable System with Ultralong Stability
Tao Huang，Bowen Gao，Mingfeng Li，Xin Zhou，Wenbin He，Jinfeng Yan，Xiao Luo，Wei Lai，Jian Li，Shijun Luo，Yang Yue*，Yanan Ma*，Yihua Gao*https://doi.org/10.1002/aenm.202402871高义华教授：1998年，高义华毕业于中国科学院物理研究所并取得博士学位，1999年3月赴日本National Institute for Materials Science（NIMS）工作（其中2003年5月-2004年2月，美国西北大学访问学者），2005年1月入职华中科技大学，2006年3月回国全职工作。现任华中科技大学二级教授、博士生导师和华中学者特聘教授, 物理学院&武汉光电国家研究中心双聘教授，物理学院纳米材料与器件物理团队负责人。高义华教授长期从事新型光电力热材料与器件的研究，在电能存储、光发射与光力热探测等方面的微纳尺度结构器件研究中取得了一系列突出进展。在全球所有领域的顶尖10万名学者中排名为第45279名<2022年8月31日更新>，网址：http://www.globalauthorid.com/WebPortal/EliteOrder。参与一项973项目，获6项国家自然科学基金的面上项目支持。共发表SCI文章210余篇，其中在Nature；Nat. Commun.; Adv. Mater.; Adv. Funct. Mater.; Nano Energy; Nano Lett.; ACS Nano等权威期刊上发表第一作者或通讯作者文章128篇。1篇学术论文获“湖北省第十六届自然科学优秀学术论文”一等奖。作为团队负责人（共5名老师成员），团队内共培养3名博士后，27名博士和45名硕士，其中3名学生已成为正教授，14名学生已成为副教授。个人名下已培养3名博士后，21名博士和32名硕士。10多名学生获“国家奖学金”奖励，1篇博士论文获“湖北省优秀博士论文”荣誉。马亚楠教授：马亚楠，博士，教授，《无机材料学报》青年编委，主要从事功能纳米材料的可控制备、性能调控及其在能源储存、压敏传感等领域的应用研究。近年来，以第一作者、通讯作者和参与作者身份在Nature Communications、InfoMat、ACS Nano、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊发表国际高水平学术论文40余篇，其中6篇成功入选ESI高被引论；授权国家发明专利4项。现主持国家自然科学基金、中国博士后面上基金、湖北省自然科学基金、湖北省博士后创新岗位、安徽省实验室及湖北省重点实验室开放项目各一项，参与国家重点研发项目1项。岳阳教授：岳阳，男，2019年6月毕业于华中科技大学物理学院材料物理与化学专业，获工学博士学位。2019年7月入职安徽大学物质科学与信息技术研究院，量子材料与物理研究所，任职副教授。现主要从事1.二维纳米流体自驱动压力传感器中离子选择性输运的力-电耦合调控机制研究。2.基于二维纳米材料的压阻式传感器中界面微结构设计对器件灵敏度的调控机制研究。3.基于二维纳米材料的多功能电化学储能器件研究。以第一作者/（共）通讯作者发表IF＞10中科院一区论文20篇，Science Bulletin 1篇，Research 2篇，Advanced Functional Materials 3篇，ACS Nano 4篇，Energy Storage Materials 2篇，Nano energy 2篇，Nano-Micro Letter 1篇，Chemical Engineering Journal 5篇。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、安徽省自然科学基金（青年）等项目。
