王中林院士柔电登上Nat. Rev. Mater. 我们找一作聊了聊

【内容简析】

众所周知，电源是实现无线可穿戴电子设备、软机器人和物联网的瓶颈之一，柔性的自充电电源将能量收集器件、电源管理电子设备和储能单元设备集成在同一平台上，其能够从周围环境中获取能量，同时存储产生的电力以供自身消耗，无需外部电源。因此，它们可以实现自供电、可持续和免维护的柔性电子产品。然而，当从单个器件转移到实际应用的集成系统时，会出现与材料、机械解和设备设计相关的挑战。

在此基础上，苏州大学刘瑞远教授，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，联合日本理化研究所新兴物质科学中心（CEMS）/东京大学Takao Someya教授和Kenjiro Fukuda教授等人讨论了各种作为电源的柔性自充电技术，包括柔性太阳能电池、机械能收集器、热电和具有柔性储能的生物燃料电池和混合动力器件，将其集成在单个平台上的各种应用，同时讨论了能量收集器和能量存储单元之间有效能量传输的电源管理策略。此外，概述了研究和开发柔性自充电电源的新挑战、战略和机遇，并就此提出了解决这些问题的策略。相关研究成果以“Flexible self-charging power sources”为题发表在Nature Reviews Materials上。

此次，我们特地邀请到了文章的一作刘瑞远老师，来对文章内容进行深度专访。

对于柔性自供电系统，刘老师认为：“对于不同的系统，材料的选择有所区别。总体而言，在将来的研究中，功能聚合物、纳米材料和二维材料在柔性器件上具有更大的潜力。我们的研究团队将以多功能复合材料为基础，在聚焦高效柔性环境能量收集器件（光伏、摩擦、水伏等）和自充电电源的同时，着力探索它们在人体界面-可穿戴传感上的应用。”

我们知道，典型的柔性自充电系统在单个平台上集成了至少两种用于能量收集和存储的设备，并涉及三个能量转换步骤。各种柔性的能量收集技术可以将环境能量转化为电能，这些包括用于收集光能的太阳能电池、用于收集机械能的摩擦电和压电材料、用于收集热能的热电和热释电以及用于转换生化能的生物燃料电池。光、热、振动、身体运动甚至汗水都可以成为日常生活中的能量来源。为了利用如此丰富的、间歇性的和随机分布的能源，与之匹配的储能单元将收集的电能转化为电化学能和用于电子原件运行，对于供电的稳定性和可持续性是必不可少的。

不难看出，目前柔性自充电系统很有前景，但效率仍低于传统设备。当我们问到柔性的平台上管理不同类型的能源设备，需要从哪些方向着力时，刘老师这样分享道：“就效率而言，对于不同类型的能源设备，在柔性化制备过程中需要侧重物理形态上的匹配，柔性器件效率低于刚性器件的重要原因是缺少与其制备工艺匹配的柔性基底；电学上最重要的是对能量的管理，因为不同类型的设备有不同的输入输出特性，为了保持最高的能量转化、存储和利用效率，参数的动态匹配是至关重要的一环。”

此外，柔性是另一个关键因素，可以通过使用软材料或使设备足够薄来实现。机械可靠且柔性的自充电电源应在变形（例如弯曲、扭曲、卷曲、压缩或拉伸）下保持正常的输出性能。材料工程和制造技术的创新使得能够制造厚度低至微米级的超薄设备，同时表现出高功率或能量密度。可穿戴传感器件和柔性机器人已经成功地利用从身体运动、汗水或阳光中收集的能量运行，展示了柔性的自充电电源的潜力。

而距离柔性自供电传感系统“走向货架”还有多远？刘老师是这样认为的：

“如论文中所述，目前研究领域具有代表性的应用包括动作追踪、健康监测和人机交互。这些设备具有高度的应用导向性，对于“走向货架”，我认为明确的使用定位是首要条件；技术上更高的能量转化效率、存储能力和更好的稳定性是研究的难点。”

【核心创新点】

1.本文重点介绍了柔性太阳能电池、机械能量收集器、热电、生物燃料电池和具有柔性储能器件的混合设备在同一平台上的集成；

2.研究了自充电电源在柔性电子产品中的应用，概述了与提高性能相关的科学挑战，并在材料工程和设备设计中提出了解决这些问题的策略。

【数据概览】

图一、柔性的能量收集器

（a）在太阳能电池中，光被有源层吸收，产生电子-空穴对或激子，这些电子-空穴对或激子随后被内置电位分离，然后由电极通过载流子选择层或传输层收集；

（b）在柔性摩擦纳米发电机（TENG）中，具有较强电子亲和力的材料在与其他材料接触时会因电荷转移或来自后者的电子注入而带负电；

（c）在压电纳米发电机（PENG）中，压电材料夹在连接到外部负载的两个电极之间。如果施加压缩或拉伸力，则会产生电位差，从而驱动外部电路中的电子流动以产生电流；

（d）在热电发电机（TEG）中，两个电连接的导体或半导体之间的温度梯度会导致空穴和电子或离子从热端扩散，从而在外部电路中产生热电势和直流电；

（e）在生物燃料电池中，燃料在生物阳极处进行催化氧化，并通过外部电路产生电子以还原生物阴极处的氧化剂；

（f）在混合TENG-生物燃料电池装置中，整流后的TENG和生物燃料电池并联连接以获取机械能和生化能。

图二、柔性储能装置的充电机制

（a，b）超级电容器通过电解质离子的可逆静电吸附来存储电荷，如电双层电容器（a），或通过法拉第表面氧化还原反应或插层，如赝电容（图b）；

（c）锂离子电池通过从电极材料中可逆地插入和脱出锂离子来存储电能，并在体相中进行电化学氧化还原反应；

（d）混合储能器件结合了电容材料和电池类材料，可以在单个电池中平衡高能量密度和高功率密度；

（e）柔性或可拉伸储能设备的策略。

图三、自充电电源的机制

（a）光充电系统包括单个太阳能电池和具有电连接的能量存储单元。太阳能电池将光能转化为电能，并通过光电极（二电极系统）、公共电极（三电极系统）或外部连接（四电极系统）进行充电；

（b）由整流器连接的基于四电极摩擦纳米发电机（TENG）的自充电系统。大多数TENG的电输出为脉冲和交流形式，需要整流器在充电前将交流电转换为直流电；

（c）基于双电极压电纳米发电机（PENG）的自充电系统，使用压电场在电池或超级电容器的电极中诱导电化学氧化还原反应或离子迁移；

（d）一种双电极热充电装置，将热电电解质或导体夹在储能单元的电极之间；

（e）双电极生物燃料充电装置具有相同的电极，其中电子直接与氧化还原酶一起转移以进行能量收集和存储；

（f）混合充电系统包括作为能量收集器的生物燃料电池和整流TENG，以及作为能量存储单元的超级电容器。

目前柔性自充电系统很有前景，但效率仍低于传统设备。您认为在柔性的平台上管理不同类型的能源设备，需要从哪些方向着力？

就效率而言，对于不同类型的能源设备，在柔性化制备过程中需要侧重物理形态上的匹配，柔性器件效率低于刚性器件的重要原因是缺少与其制备工艺匹配的柔性基底；电学上最重要的是对能量的管理，因为不同类型的设备有不同的输入输出特性，为了保持最高的能量转化、存储和利用效率，参数的动态匹配是至关重要的一环。

图四、自充电电源中的电源管理

（a）光充电系统中的电源管理电路；

（b）普通DC-DC转换器；

（c）基于TENG的机械充电系统中的电源管理电路；

（d）用于AC-DC转换的典型整流电路。

图五、柔性的自供电传感系统的应用

（a）健康监测。皮肤脉搏血氧仪可以由光充电电源驱动以检测高质量信号。该系统包含一个光电探头、数据处理电子设备和一个由分层电池和非晶硅太阳能电池模块组成的柔性电源；

（b）基于TENG的可穿戴运动跟踪系统可以执行水下传感。它由四个集成的可穿戴TENG、一个多通道无线信号传输模块和一台笔记本电脑组成；

（c）皮肤上的热充电装置可以实现长期主动冷却，该双功能设备将热电设备冷却臂带与柔性电池组集成在一起；

（d）人机交互。带有应变传感器的生物燃料驱动的柔性电子皮肤可以实时无线控制机械臂的运动，生物燃料电池可以从人体汗液中收集能量，为应变传感器供电，并通过蓝牙发送无线信息来控制机械臂。

对于柔性自供电系统，您认为哪些材料会在将来的研究中扮演重要角色，而您和您的团队在之后的研究重点又会放在哪些地方？

对于不同的系统，材料的选择有所区别。总体而言，在将来的研究中，功能聚合物、纳米材料和二维材料在柔性器件上具有更大的潜力。我们的研究团队将以多功能复合材料为基础，在聚焦高效柔性环境能量收集器件（光伏、摩擦、水伏等）和自充电电源的同时，着力探索它们在人体界面-可穿戴传感上的应用。

【成果启示】

综上所述，尽管柔性自充电系统很有前景，但它们的效率仍然低于传统设备。如果没有适当的工程设计，高效的能量收集器可能会由于失配或负载损失而导致能量存储不良。其重点考虑为：1）新材料是高效柔性自充电系统的关键；2）柔性集成器件的设计通常包括多层，需要在一定程度的重复机械变形下正常工作；3）由于不同组件之间在材料、设备配置和能源方面存在差异，因此早期阶段需要在系统评估集成设备性能中制定通用标准；4）减少能量损失，由于缺乏适当的电源管理，大多数当前的自充电系统在能量传输过程中都会遭受相当大的能量损失；5）应用要求，必须适合特定的电源要求和应用场景；6）寿命匹配，可靠的柔性电源不仅要考虑各个部件的寿命，还要考虑它们对集成系统的影响。

您认为，距离柔性自供电传感系统“走向货架”，您认为还有哪些难点需要攻克？

如论文中所述，目前研究领域具有代表性的应用包括动作追踪、健康监测和人机交互。这些设备具有高度的应用导向性，对于“走向货架”，我认为明确的使用定位是首要条件；技术上更高的能量转化效率、存储能力和更好的稳定性是研究的难点。

文献链接：“Flexible self-charging power sources”（Nature Reviews Materials，2022，10.1038/s41578-022-00441-0）

本文由材料人CYM编译供稿。