王中林院士柔電登上Nat. Rev. Mater.? 我們找一作聊了聊

【內容簡析】

眾所周知，電源是實現無線可穿戴電子設備、軟機器人和物聯網的瓶頸之一，柔性的自充電電源將能量收集器件、電源管理電子設備和儲能單元設備集成在同一平臺上，其能夠從周圍環境中獲取能量，同時存儲產生的電力以供自身消耗，無需外部電源。因此，它們可以實現自供電、可持續和免維護的柔性電子產品。然而，當從單個器件轉移到實際應用的集成系統時，會出現與材料、機械解和設備設計相關的挑戰。

在此基礎上，蘇州大學劉瑞遠教授，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士，聯合日本理化研究所新興物質科學中心（CEMS）/東京大學Takao?Someya教授和Kenjiro Fukuda教授等人討論了各種作為電源的柔性自充電技術，包括柔性太陽能電池、機械能收集器、熱電和具有柔性儲能的生物燃料電池和混合動力器件，將其集成在單個平臺上的各種應用，同時討論了能量收集器和能量存儲單元之間有效能量傳輸的電源管理策略。此外，概述了研究和開發柔性自充電電源的新挑戰、戰略和機遇，并就此提出了解決這些問題的策略。相關研究成果以“Flexible self-charging power sources”為題發表在Nature Reviews Materials上。

此次，我們特地邀請到了文章的一作劉瑞遠老師，來對文章內容進行深度專訪。

對于柔性自供電系統，劉老師認為：“對于不同的系統，材料的選擇有所區別。總體而言，在將來的研究中，功能聚合物、納米材料和二維材料在柔性器件上具有更大的潛力。我們的研究團隊將以多功能復合材料為基礎，在聚焦高效柔性環境能量收集器件（光伏、摩擦、水伏等）和自充電電源的同時，著力探索它們在人體界面-可穿戴傳感上的應用。”

我們知道，典型的柔性自充電系統在單個平臺上集成了至少兩種用于能量收集和存儲的設備，并涉及三個能量轉換步驟。各種柔性的能量收集技術可以將環境能量轉化為電能，這些包括用于收集光能的太陽能電池、用于收集機械能的摩擦電和壓電材料、用于收集熱能的熱電和熱釋電以及用于轉換生化能的生物燃料電池。光、熱、振動、身體運動甚至汗水都可以成為日常生活中的能量來源。為了利用如此豐富的、間歇性的和隨機分布的能源，與之匹配的儲能單元將收集的電能轉化為電化學能和用于電子原件運行，對于供電的穩定性和可持續性是必不可少的。

不難看出，目前柔性自充電系統很有前景，但效率仍低于傳統設備。當我們問到柔性的平臺上管理不同類型的能源設備，需要從哪些方向著力時，劉老師這樣分享道：“就效率而言，對于不同類型的能源設備，在柔性化制備過程中需要側重物理形態上的匹配，柔性器件效率低于剛性器件的重要原因是缺少與其制備工藝匹配的柔性基底；電學上最重要的是對能量的管理，因為不同類型的設備有不同的輸入輸出特性，為了保持最高的能量轉化、存儲和利用效率，參數的動態匹配是至關重要的一環。”

此外，柔性是另一個關鍵因素，可以通過使用軟材料或使設備足夠薄來實現。機械可靠且柔性的自充電電源應在變形（例如彎曲、扭曲、卷曲、壓縮或拉伸）下保持正常的輸出性能。材料工程和制造技術的創新使得能夠制造厚度低至微米級的超薄設備，同時表現出高功率或能量密度。可穿戴傳感器件和柔性機器人已經成功地利用從身體運動、汗水或陽光中收集的能量運行，展示了柔性的自充電電源的潛力。

而距離柔性自供電傳感系統“走向貨架”還有多遠？劉老師是這樣認為的：

“如論文中所述，目前研究領域具有代表性的應用包括動作追蹤、健康監測和人機交互。這些設備具有高度的應用導向性，對于“走向貨架”，我認為明確的使用定位是首要條件；技術上更高的能量轉化效率、存儲能力和更好的穩定性是研究的難點。”

【核心創新點】

1.本文重點介紹了柔性太陽能電池、機械能量收集器、熱電、生物燃料電池和具有柔性儲能器件的混合設備在同一平臺上的集成；

2.研究了自充電電源在柔性電子產品中的應用，概述了與提高性能相關的科學挑戰，并在材料工程和設備設計中提出了解決這些問題的策略。

【數據概覽】

圖一、柔性的能量收集器

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（a）在太陽能電池中，光被有源層吸收，產生電子-空穴對或激子，這些電子-空穴對或激子隨后被內置電位分離，然后由電極通過載流子選擇層或傳輸層收集；

（b）在柔性摩擦納米發電機（TENG）中，具有較強電子親和力的材料在與其他材料接觸時會因電荷轉移或來自后者的電子注入而帶負電；

（c）在壓電納米發電機（PENG）中，壓電材料夾在連接到外部負載的兩個電極之間。如果施加壓縮或拉伸力，則會產生電位差，從而驅動外部電路中的電子流動以產生電流；

（d）在熱電發電機（TEG）中，兩個電連接的導體或半導體之間的溫度梯度會導致空穴和電子或離子從熱端擴散，從而在外部電路中產生熱電勢和直流電；

（e）在生物燃料電池中，燃料在生物陽極處進行催化氧化，并通過外部電路產生電子以還原生物陰極處的氧化劑；

（f）在混合TENG-生物燃料電池裝置中，整流后的TENG和生物燃料電池并聯連接以獲取機械能和生化能。

圖二、柔性儲能裝置的充電機制

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（a，b）超級電容器通過電解質離子的可逆靜電吸附來存儲電荷，如電雙層電容器（a），或通過法拉第表面氧化還原反應或插層，如贗電容（圖b）；

（c）鋰離子電池通過從電極材料中可逆地插入和脫出鋰離子來存儲電能，并在體相中進行電化學氧化還原反應；

（d）混合儲能器件結合了電容材料和電池類材料，可以在單個電池中平衡高能量密度和高功率密度；

（e）柔性或可拉伸儲能設備的策略。

圖三、自充電電源的機制

（a）光充電系統包括單個太陽能電池和具有電連接的能量存儲單元。太陽能電池將光能轉化為電能，并通過光電極（二電極系統）、公共電極（三電極系統）或外部連接（四電極系統）進行充電；

（b）由整流器連接的基于四電極摩擦納米發電機（TENG）的自充電系統。大多數TENG的電輸出為脈沖和交流形式，需要整流器在充電前將交流電轉換為直流電；

（c）基于雙電極壓電納米發電機（PENG）的自充電系統，使用壓電場在電池或超級電容器的電極中誘導電化學氧化還原反應或離子遷移；

（d）一種雙電極熱充電裝置，將熱電電解質或導體夾在儲能單元的電極之間；

（e）雙電極生物燃料充電裝置具有相同的電極，其中電子直接與氧化還原酶一起轉移以進行能量收集和存儲；

（f）混合充電系統包括作為能量收集器的生物燃料電池和整流TENG，以及作為能量存儲單元的超級電容器。

目前柔性自充電系統很有前景，但效率仍低于傳統設備。您認為在柔性的平臺上管理不同類型的能源設備，需要從哪些方向著力？

就效率而言，對于不同類型的能源設備，在柔性化制備過程中需要側重物理形態上的匹配，柔性器件效率低于剛性器件的重要原因是缺少與其制備工藝匹配的柔性基底；電學上最重要的是對能量的管理，因為不同類型的設備有不同的輸入輸出特性，為了保持最高的能量轉化、存儲和利用效率，參數的動態匹配是至關重要的一環。

圖四、自充電電源中的電源管理

（a）光充電系統中的電源管理電路；

（b）普通DC-DC轉換器；

（c）基于TENG的機械充電系統中的電源管理電路；

（d）用于AC-DC轉換的典型整流電路。

圖五、柔性的自供電傳感系統的應用

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（a）健康監測。皮膚脈搏血氧儀可以由光充電電源驅動以檢測高質量信號。該系統包含一個光電探頭、數據處理電子設備和一個由分層電池和非晶硅太陽能電池模塊組成的柔性電源；

（b）基于TENG的可穿戴運動跟蹤系統可以執行水下傳感。它由四個集成的可穿戴TENG、一個多通道無線信號傳輸模塊和一臺筆記本電腦組成；

（c）皮膚上的熱充電裝置可以實現長期主動冷卻，該雙功能設備將熱電設備冷卻臂帶與柔性電池組集成在一起；

（d）人機交互。帶有應變傳感器的生物燃料驅動的柔性電子皮膚可以實時無線控制機械臂的運動，生物燃料電池可以從人體汗液中收集能量，為應變傳感器供電，并通過藍牙發送無線信息來控制機械臂。

對于柔性自供電系統，您認為哪些材料會在將來的研究中扮演重要角色，而您和您的團隊在之后的研究重點又會放在哪些地方？

對于不同的系統，材料的選擇有所區別。總體而言，在將來的研究中，功能聚合物、納米材料和二維材料在柔性器件上具有更大的潛力。我們的研究團隊將以多功能復合材料為基礎，在聚焦高效柔性環境能量收集器件（光伏、摩擦、水伏等）和自充電電源的同時，著力探索它們在人體界面-可穿戴傳感上的應用。

【成果啟示】

綜上所述，盡管柔性自充電系統很有前景，但它們的效率仍然低于傳統設備。如果沒有適當的工程設計，高效的能量收集器可能會由于失配或負載損失而導致能量存儲不良。其重點考慮為：1）新材料是高效柔性自充電系統的關鍵；2）柔性集成器件的設計通常包括多層，需要在一定程度的重復機械變形下正常工作；3）由于不同組件之間在材料、設備配置和能源方面存在差異，因此早期階段需要在系統評估集成設備性能中制定通用標準；4）減少能量損失，由于缺乏適當的電源管理，大多數當前的自充電系統在能量傳輸過程中都會遭受相當大的能量損失；5）應用要求，必須適合特定的電源要求和應用場景；6）壽命匹配，可靠的柔性電源不僅要考慮各個部件的壽命，還要考慮它們對集成系統的影響。

您認為，距離柔性自供電傳感系統“走向貨架”，您認為還有哪些難點需要攻克？

如論文中所述，目前研究領域具有代表性的應用包括動作追蹤、健康監測和人機交互。這些設備具有高度的應用導向性，對于“走向貨架”，我認為明確的使用定位是首要條件；技術上更高的能量轉化效率、存儲能力和更好的穩定性是研究的難點。

文獻鏈接：“Flexible self-charging power sources”（Nature Reviews Materials，2022，10.1038/s41578-022-00441-0）

本文由材料人CYM編譯供稿。