研究背景
柔性電子技術(shù)為可穿戴技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了模式轉(zhuǎn)變。在開(kāi)發(fā)輕薄、保形和可拉伸的可穿戴傳感器方面取得了顯著進(jìn)展。尤其是超柔性設(shè)備，因其能夠與人體皮膚無(wú)縫結(jié)合，提供更精確的數(shù)據(jù)采集和更高的用戶舒適度而備受關(guān)注。
可穿戴技術(shù)的發(fā)展在很大程度上取決于柔性能源設(shè)備的開(kāi)發(fā)，這些設(shè)備應(yīng)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(shù)商用可穿戴設(shè)備都依賴笨重的紐扣電池或充電電池作為電源。這些設(shè)備大大增加了系統(tǒng)的整體剛性，限制了其機(jī)械順應(yīng)性，而且經(jīng)常需要頻繁充電或更換。
下一個(gè)前沿領(lǐng)域是生產(chǎn)超柔性能源，特別是柔性能量收集-存儲(chǔ)系統(tǒng)(FEHSS)，它能有效地產(chǎn)生和存儲(chǔ)能量，并適應(yīng)曲面和移動(dòng)物體。雖然在超柔性能量收集器方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但將這些能量收集器與柔性儲(chǔ)能裝置集成在一起以形成一個(gè)高效、穩(wěn)健的電力系統(tǒng)還面臨著一系列挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括在不影響機(jī)械順應(yīng)性的前提下實(shí)現(xiàn)出色的功率轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)效率、建立穩(wěn)定的界面連接以及實(shí)現(xiàn)人性化的用戶界面。
研究成果可穿戴技術(shù)的迅猛發(fā)展凸顯了對(duì)柔性電源系統(tǒng)的需求。預(yù)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)將表現(xiàn)出高效率、堅(jiān)固耐用、穩(wěn)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(chǔ)能設(shè)備集成在一起，形成一個(gè)自主、高效、機(jī)械順應(yīng)性強(qiáng)的動(dòng)力系統(tǒng)，仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)工作中，深圳先進(jìn)技術(shù)研究院Hui-Ming Cheng&清華大學(xué)深圳國(guó)際研究院徐曉敏教授等人報(bào)告了一種 90 微米厚的能量收集和存儲(chǔ)系統(tǒng)(FEHSS)，該系統(tǒng)在超柔性配置中包含高性能有機(jī)光伏和鋅離子電池。FEHSS 的功率轉(zhuǎn)換效率超過(guò)16%，功率輸出超過(guò)10 mW cm^-2，能量密度超過(guò) 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(méi)有笨重和僵硬的組件，F(xiàn)EHSS 顯示出作為多功能電源的巨大潛力，可推動(dòng)可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，并為可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)做出貢獻(xiàn)。相關(guān)研究以“An ultraflexible energy harvesting-storage system for wearable applications”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
圖文導(dǎo)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(jié)與展望作者開(kāi)發(fā)了一種高度柔性的能量收集和存儲(chǔ)系統(tǒng)，作為可穿戴應(yīng)用的可靠能源。自供電FEHSS 由作為能量收集組件的有機(jī)光伏模塊和作為能量存儲(chǔ)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(xù)的方式為可穿戴設(shè)備有效供電。
在能量收集組件方面，作者將超柔性有機(jī)光電池的 PCE 提高到了16.18%。獨(dú)立式有機(jī)光電池的長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性超過(guò)兩個(gè)月，在連續(xù)照明條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性超過(guò) 500小時(shí)。作者還將該裝置升級(jí)為太陽(yáng)能模塊。通過(guò)展示原型，作者開(kāi)發(fā)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(dá)到10.2mWcm^-2，發(fā)電功率超過(guò) 68.9 mW，足以運(yùn)行小型電子設(shè)備。
在儲(chǔ)能元件方面，作者在不影響電化學(xué)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(zhì)，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(xué)穩(wěn)定性，即在循環(huán)充放電 200次以上后，其初始比容量超過(guò)86%。
最后，OPV 模塊和電池集成在一起，形成了一個(gè)用于可穿戴應(yīng)用的一體化能量采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)。值得注意的是，作者在能量采集和存儲(chǔ)模塊之間創(chuàng)新性地引入了超柔性有機(jī)二極管，其整流比在±2 V范圍內(nèi)達(dá)到 10⁵的數(shù)量級(jí)，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(zhuǎn)換和存儲(chǔ)效率高達(dá)6.91%，在環(huán)境條件下的80超過(guò)兩周，具有出色的工作穩(wěn)定性和機(jī)械耐久性。該系統(tǒng)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(nèi)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(yī)療保健監(jiān)測(cè)的電生理傳感器、智能手表和智能手機(jī)等小工具。
在電子產(chǎn)品的能源解決方案領(lǐng)域，大量研究強(qiáng)調(diào)了有機(jī)光電池和柔性電池的潛力。將它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)自給自足、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)的電源系統(tǒng)，預(yù)示著可穿戴應(yīng)用領(lǐng)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(zhǎng)期運(yùn)行，并為許多醫(yī)療監(jiān)測(cè)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。