可穿戴應用的超柔性能量采集存儲系統

MEMS 2024-08-12 00:01

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研究背景

柔性電子技術為可穿戴技術領域帶來了模式轉變。在開發輕薄、保形和可拉伸的可穿戴傳感器方面取得了顯著進展。尤其是超柔性設備，因其能夠與人體皮膚無縫結合，提供更精確的數據采集和更高的用戶舒適度而備受關注。

可穿戴技術的發展在很大程度上取決于柔性能源設備的開發，這些設備應具有高效率耐用性和恒定的功率輸出，并具備輕松集成的能力。大多數商用可穿戴設備都依賴笨重的紐扣電池或充電電池作為電源。這些設備大大增加了系統的整體剛性，限制了其機械順應性，而且經常需要頻繁充電或更換。

下一個前沿領域是生產超柔性能源，特別是柔性能量收集-存儲系統(FEHSS)，它能有效地產生和存儲能量，并適應曲面和移動物體。雖然在超柔性能量收集器方面已經取得了顯著進展，但將這些能量收集器與柔性儲能裝置集成在一起以形成一個高效、穩健的電力系統還面臨著一系列挑戰。這些挑戰包括在不影響機械順應性的前提下實現出色的功率轉換和存儲效率、建立穩定的界面連接以及實現人性化的用戶界面。

研究成果

可穿戴技術的迅猛發展凸顯了對柔性電源系統的需求。預計此類系統將表現出高效率、堅固耐用、穩定的功率輸出以及輕松集成的潛力。將超柔性能量收集器和儲能設備集成在一起，形成一個自主、高效、機械順應性強的動力系統，仍然是一項重大挑戰。在這項工作中，深圳先進技術研究院Hui-Ming Cheng&清華大學深圳國際研究院徐曉敏教授等人報告了一種 90 微米厚的能量收集和存儲系統(FEHSS)，該系統在超柔性配置中包含高性能有機光伏和鋅離子電池。FEHSS 的功率轉換效率超過16%，功率輸出超過10 mW cm^-2，能量密度超過 5.82 mWh cm^-2，可滿足可穿戴傳感器和小工具的功率需求。由于沒有笨重和僵硬的組件，FEHSS 顯示出作為多功能電源的巨大潛力，可推動可穿戴電子設備的發展，并為可持續發展的未來做出貢獻。相關研究以“An ultraflexible energy harvesting-storage system for wearable applications”為題發表在Nature Communications期刊上。

圖文導讀

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

總結與展望

作者開發了一種高度柔性的能量收集和存儲系統，作為可穿戴應用的可靠能源。自供電FEHSS 由作為能量收集組件的有機光伏模塊和作為能量存儲組件的鋅離子電池組成，可與紡織品集成，甚至直接穿戴在皮膚上，以可持續的方式為可穿戴設備有效供電。

在能量收集組件方面，作者將超柔性有機光電池的 PCE 提高到了16.18%。獨立式有機光電池的長期儲存穩定性超過兩個月，在連續照明條件下的運行穩定性超過 500小時。作者還將該裝置升級為太陽能模塊。通過展示原型，作者開發出了一種有效面積為 6.72 cm²的超柔性模塊，其面積功率輸出達到10.2mW cm^-2，發電功率超過 68.9 mW，足以運行小型電子設備。

在儲能元件方面，作者在不影響電化學性能的前提下，有效地將錳離子電池的厚度減小到 85 微米。為此，作者引入了超薄 PVA-GO 水凝膠作為電解質，并用薄(25 微米)石墨紙取代了碳布。這種柔性電池具有 6.8 mAh 的高容量和良好的電化學穩定性，即在循環充放電 200次以上后，其初始比容量超過86%。

最后，OPV 模塊和電池集成在一起，形成了一個用于可穿戴應用的一體化能量采集和存儲系統。值得注意的是，作者在能量采集和存儲模塊之間創新性地引入了超柔性有機二極管，其整流比在±2 V范圍內達到 10⁵的數量級，可有效防止黑暗條件下電池向 OPV 的意外電流回流。集成式 FEHSS 的整體能量轉換和存儲效率高達6.91%，在環境條件下的80超過兩周，具有出色的工作穩定性和機械耐久性。該系統的整體厚度僅為 90 微米，可輕松貼合包括人體皮膚和紡織品在內的彎曲和柔軟表面。它可以為各種電子元件供電，包括用于醫療保健監測的電生理傳感器、智能手表和智能手機等小工具。

在電子產品的能源解決方案領域，大量研究強調了有機光電池和柔性電池的潛力。將它們融合成一個自給自足、重量輕、適應性強的電源系統，預示著可穿戴應用領域的重大突破。可定制的超柔性 OPV 模塊與 85 微米厚的 Zn 離子電池的集成(每種電池都具有出色的性能)使這種 FEHSS 可以長期運行，并為許多醫療監測的進步奠定了基礎。

文獻鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50894-w