成会明院士/徐晓敏等《自然·通讯》：超柔性能量收集-储存系统助力可穿戴技术发展

柔性电子在可穿戴技术领域引起了一场范式转变。近年来，薄型、可拉伸的穿戴式传感器件已取得了显著进展。特别是超柔性器件，由于其具备与人体皮肤共形贴附、无缝集成的能力，提供了更准确的数据采集能力和更高的用户舒适度，获得了广泛关注。

可穿戴技术的发展高度依赖于柔性能源器件的发展，这些器件应提供高效率、耐用性和持续的电力输出，并且能够轻松集成。目前，大多数商业可穿戴设备仍依赖于硬质的纽扣电池或可充电电池作为电源。这些电源大大增加了系统的整体刚性，限制了其机械顺应性，且常常需要频繁充电或更换。

为解决上述问题，迫切需要开发一种柔性的能量收集和存储一体化系统（FEHSS）。然而，开发高性能FEHSS面临的挑战是多方面的，包括确保不同组件间的机械性能、光电及电学性能匹配及优化，以实现高功率输出和长期稳定运行。此外，还需改善器件单元之间的接口有效性，确保人体长期佩戴的舒适性。

集成型的FEHSS，例如基于热电、摩擦电、压电发电等能量收集器件以及光伏-超级电容器组合等自供电模块，在该领域展示了早期的成功。已报道的FEHSS通常具有1毫米到600微米的厚度，功率输出低于5 mWh cm -2，柔韧性和效率仍有较大提升空间。特别适用于可穿戴应用的有机光伏（OPV），具有质轻、超薄、能量回收时间短等优势，然而有效面积大于5 cm 2且功率输出超过10 mW cm -2的超柔性OPV模组仍十分罕见。此外，仅靠光伏设备获取的能量在光照条件变化时存在间歇性，这削弱了其在需要持续稳定电源的集成可穿戴系统中的有效性。对于储能设备而言，开发既超薄又能保持性能的固态电解质，仍是一大挑战。

近日，中科院深圳先进技术研究院成会明院士、清华大学深圳国际研究生院徐晓敏团队与周光敏团队等合作，报道了厚度仅90微米的超柔性能量收集-储存一体化系统，由超柔性高性能OPV组件与超薄锌离子电池（ZIB）集成，并用其为可穿戴生物传感系统及日常电子设备供电，展示了FEHSS作为新一代可穿戴绿色能源设备的可行性。相关成果以“一种可穿戴的超柔性能量收集-存储系统”（An Ultraflexible Energy Harvesting-Storage System for Wearable Applications）为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

图1. FEHSS的结构、材料及超柔性力学性能

超柔性有机光伏OPV器件采用了PM6:O-IDTBR:Y6三元共混体系（图2）。与常见的PM6:Y6二元体系相比，O-IDTBR的添加有效提高了器件性能和稳定性，拓宽了光吸收范围，以能量级联通道提升了供受体界面激子解离效率，X射线衍射（GIWAXS）表征证明了三元体系中π-π堆积距离的减小和微晶的增加。为进一步提升光照稳定性，使用EDT钝化ZnO电子传输层，最终实现了单个器件光电转换效率（PCE）高达16.18%，黑暗惰性环境中逾1500小时的 80长寿命，以及50 mW cm -2光强下连续照明500小时后PCE保持初始值92%以上的高性能。

图2. 超柔性OPV器件单元的优化和性能表征

基于上述超柔性OPV单元，进一步设计出可调功率输出的高性能超柔性OPV组件（图3）。以有效面积为6.72 cm 2的组件为例，由12个器件单元串联成组，再由14个组并联而成，组件总光电转换效率PCE高达10.5%，峰值功率超过68.9 mW，单位面积功率输出达10.2 mW cm -2。此外，超柔性OPV组件在不同光照强度下表现出高效的功率输出，在力学弯折和拉伸压缩测试中表现出优异的机械强度。

图3. 超柔性OPV模块的结构和性能表征

超薄锌离子电池ZIB由锌阴极、二氧化锰-石墨阳极和超薄水凝胶电解质组成（图4）。基于团队此前发明的冷层压法（Adv. Mater. 2023, 35, 2206793），创新开发了10微米厚度的超薄聚乙烯醇-氧化石墨烯（PVA-GO）水凝胶，具有数十微米级的弯曲半径，展示了优越的机械顺应性。定量研究了水凝胶厚度对ZIB性能的影响，其超薄特性弥补了微小容量损失。基于10 μm超薄水凝胶电解质构建的超薄ZIB，其总厚度仅为85 μm，具备良好的倍率性能和循环稳定性。

图4. 超薄ZIB的制备和性能表征

FEHSS由超柔性OPV组件与超薄ZIB并联，背对背堆叠，通过各向异性导电胶连接而成（图5）。值得一提的是，在OPV衬底同时开发出的有机光电二极管（OPD）结构，具有良好的整流性能，有效防止了黑暗环境中电流从ZIB回流。ZIB电池组可以通过串联三个ZIB获得超过5.4 V的输出电压，以光照充电具备和传统电源充电可媲美的充电效率，具有稳定的充放电循环特性。FEHSS在60多个持续充放电循环中维持80%以上的光转换和存储效率；在自然环境中存放两周，总效率仍维持在初始值80%以上；具备优异的力学柔性和稳定性。本工作中的FEHSS相比其他工作展现出优异的综合性能。

图5. FEHSS的性能表征

FEHSS可以在自然环境下驱动多种电子设备（图6）。通过超柔性OPV和三个ZIB串联集成的FEHSS可以实现高于5.82 mWh cm -2的能量密度和5.4 V的输出电压。将该FEHSS集成于织物上，可驱动柔性心电电极和柔性印刷电路板，完成心电（ECG）信号采集并通过蓝牙模块实时传输至手机终端，助力健康管理。FEHSS还可以在不干扰用户活动的情况下为智能手机和智能手表充电，可解决远途跋涉等特殊情况下的电量耗尽问题，且为典型的绿色能源。

图6. FEHSS为可穿戴设备和电子产品供电

总结：该工作开发了高效的超柔性能量收集和存储一体化系统，可以轻松无感地集成在人体和织物上用作通用电源，将有力推进可穿戴设备和技术的发展。

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原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50894-w

来源：高分子科学前沿

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