可穿戴应用的超柔性能量采集存储系统

MEMS 2024-08-12 00:01

研究背景

柔性电子技术为可穿戴技术领域带来了模式转变。在开发轻薄、保形和可拉伸的可穿戴传感器方面取得了显著进展。尤其是超柔性设备，因其能够与人体皮肤无缝结合，提供更精确的数据采集和更高的用户舒适度而备受关注。

可穿戴技术的发展在很大程度上取决于柔性能源设备的开发，这些设备应具有高效率耐用性和恒定的功率输出，并具备轻松集成的能力。大多数商用可穿戴设备都依赖笨重的纽扣电池或充电电池作为电源。这些设备大大增加了系统的整体刚性，限制了其机械顺应性，而且经常需要频繁充电或更换。

下一个前沿领域是生产超柔性能源，特别是柔性能量收集-存储系统(FEHSS)，它能有效地产生和存储能量，并适应曲面和移动物体。虽然在超柔性能量收集器方面已经取得了显著进展，但将这些能量收集器与柔性储能装置集成在一起以形成一个高效、稳健的电力系统还面临着一系列挑战。这些挑战包括在不影响机械顺应性的前提下实现出色的功率转换和存储效率、建立稳定的界面连接以及实现人性化的用户界面。

研究成果

可穿戴技术的迅猛发展凸显了对柔性电源系统的需求。预计此类系统将表现出高效率、坚固耐用、稳定的功率输出以及轻松集成的潜力。将超柔性能量收集器和储能设备集成在一起，形成一个自主、高效、机械顺应性强的动力系统，仍然是一项重大挑战。在这项工作中，深圳先进技术研究院Hui-Ming Cheng&清华大学深圳国际研究院徐晓敏教授等人报告了一种 90 微米厚的能量收集和存储系统(FEHSS)，该系统在超柔性配置中包含高性能有机光伏和锌离子电池。FEHSS 的功率转换效率超过16%，功率输出超过10 mW cm^-2，能量密度超过 5.82 mWh cm^-2，可满足可穿戴传感器和小工具的功率需求。由于没有笨重和僵硬的组件，FEHSS 显示出作为多功能电源的巨大潜力，可推动可穿戴电子设备的发展，并为可持续发展的未来做出贡献。相关研究以“An ultraflexible energy harvesting-storage system for wearable applications”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 Structural overview and material composition of the FEHSS

Fig. 2 Performance of the ultraflexible OPV single unit

Fig. 3 Structure and performance of ultraflexible OPV modules

Fig. 4 Fabrication and performance of the ultrathin Zn-MnO2 battery

Fig. 5 Performance of the FEHSS

Fig. 6 FEHSS as the power source for wearables and gadgets

总结与展望

作者开发了一种高度柔性的能量收集和存储系统，作为可穿戴应用的可靠能源。自供电FEHSS 由作为能量收集组件的有机光伏模块和作为能量存储组件的锌离子电池组成，可与纺织品集成，甚至直接穿戴在皮肤上，以可持续的方式为可穿戴设备有效供电。

在能量收集组件方面，作者将超柔性有机光电池的 PCE 提高到了16.18%。独立式有机光电池的长期储存稳定性超过两个月，在连续照明条件下的运行稳定性超过 500小时。作者还将该装置升级为太阳能模块。通过展示原型，作者开发出了一种有效面积为 6.72 cm²的超柔性模块，其面积功率输出达到10.2mW cm^-2，发电功率超过 68.9 mW，足以运行小型电子设备。

在储能元件方面，作者在不影响电化学性能的前提下，有效地将锰离子电池的厚度减小到 85 微米。为此，作者引入了超薄 PVA-GO 水凝胶作为电解质，并用薄(25 微米)石墨纸取代了碳布。这种柔性电池具有 6.8 mAh 的高容量和良好的电化学稳定性，即在循环充放电 200次以上后，其初始比容量超过86%。

最后，OPV 模块和电池集成在一起，形成了一个用于可穿戴应用的一体化能量采集和存储系统。值得注意的是，作者在能量采集和存储模块之间创新性地引入了超柔性有机二极管，其整流比在±2 V范围内达到 10⁵的数量级，可有效防止黑暗条件下电池向 OPV 的意外电流回流。集成式 FEHSS 的整体能量转换和存储效率高达6.91%，在环境条件下的80超过两周，具有出色的工作稳定性和机械耐久性。该系统的整体厚度仅为 90 微米，可轻松贴合包括人体皮肤和纺织品在内的弯曲和柔软表面。它可以为各种电子元件供电，包括用于医疗保健监测的电生理传感器、智能手表和智能手机等小工具。

在电子产品的能源解决方案领域，大量研究强调了有机光电池和柔性电池的潜力。将它们融合成一个自给自足、重量轻、适应性强的电源系统，预示着可穿戴应用领域的重大突破。可定制的超柔性 OPV 模块与 85 微米厚的 Zn 离子电池的集成(每种电池都具有出色的性能)使这种 FEHSS 可以长期运行，并为许多医疗监测的进步奠定了基础。

文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50894-w