可穿戴电子器件的驱动能源

        大力发展自主供能设备是可穿戴健康监测系统实现遥感和连续通信的关键。为了更便捷、快速的实现这一目标，人们期望利用人体自身的电源或从周围环境中获取的能量。人体自身的电源来源包括运动（行走或者关节的运动，可提供能量密度约0.1-100 μW cm-2）、体热或热电供电（产生大约1-100 μW cm-2的能量）；而从周围环境获得的能源包括来自阳光和射频(RF)电磁源的能量，这些电磁源可能产生数十mW cm-2的能量(图1a)。表1提供了“lab-on-skin”系统的最新换能器设备的详细信息，该系统利用了热、光电、电化学和机械的换能器机制。表中功率值是指热/机械/光电换能器节点的功率密度。在转换和调节过程中，部分环境能量总是会丢失。此外，换能器装置的功率密度受许多因素的影响，包括设备在人体上的位置、机械运动的频率和人的状态(如室内-室外、活动-坐-工作)等。因此，如果没有储存能量的能力，如电池或超级电容器，很难设想出可靠的、长期的系统。图1b是自主表皮系统的主要组成部分示意图。
         
        图1 自供电的表皮电子系统
        表1 用于表皮电子系统的换能器
        
        机械力学对柔性可伸缩电池的设计具有重要的指导作用。要构建灵活的系统，电池应该要很薄。然而，过薄的电池其容量会低很多。因此，文献报道里的印刷电池的面积密度远低于传统电池（0.1~ 1 mAh cm−2）。此外，电池中的电流收集层必须与活性层在化学上兼容，同时对周围的材料有很强的附着力，从而防止在操作过程中出现机械损伤。一个有代表性的例子是，柔性锂离子电池，其铝(阴极)和铜(阳极)电极薄膜厚度约为10~20 μm，在曲率半径10mm的情况下反复弯曲后，发生电极层的破裂。可印刷的导电油墨和嵌入在织物/纸张中的碳纳米管也被提议作为电流收集的材料。在电解质方面，许多聚合物电解质由于具有健康和安全的优点，已经取代了传统的液体电解质。在可拉伸电池中，平行共面结构通常比垂直共面结构更受青睐，因为它们简化了制造过程，降低了机械变形过程中短路的风险。如图1所示的一种以Zn和MnO2为活性材料的可伸缩电池，以及一种基于Zn-Ag的纹身式充电电池，尽管其容量约为2mAh cm-2，但稳定性仍较差。
        超级电容器的充放电速度比电池快，但受限于其低能量密度。制造柔性超级电容器需要高表面积、优越的机械柔性和丰富的电化学活性位点的电材料。因此，超级电容器通常包含一维(纳米线、纳米纤维、纳米管等)、二维(石墨烯、无机超薄纳米片等)和三维(石墨烯网络或泡沫结构)的纳米结构。尤其是基于石墨烯的柔性能源设备都进行了广泛的研究，主要是因其理论比表面积高(2630m2/g)。然而，对于大多数石墨烯基超级电容器来说，由于石墨烯片的再堆积，其比电容值、能量密度和功率密度都低于预期。有研究表明，将红外光照射到氧化石墨烯薄膜上可以避免再堆积，从而将其还原为剥离良好的激光薄片石墨烯薄片(图1d)。基于石墨烯片的超级电容器具有优异的循环稳定性，代表了迄今为止石墨烯柔性超级电容器中最好的电化学性能。
        在传感器中，柔性和可拉伸的太阳能电池（图1e）有望提供最多能量的来源。机械振动也被研究作为可穿戴设备的动力来源。但是在不同频率下收集能量还有较大困难。基于压电式和摩擦电机制的柔性、可拉伸的能源设备，在功率密度为0.4-70μWcm-2和操作频率在0.5-2Hz的可穿戴和可植入设备进行了深入研究。从人体中获取能量的方法包括利用常化学和代谢产物的生物电催化反应。植入式葡萄糖生物燃料电池可以稳定工作几个小时。乳酸也可以用作生物燃料，因为它在人类汗液中含量丰富，而且很容易被商业上可用的酶氧化。最近的发展表明，在0.2 V的条件下，丝网印刷多孔碳纳米管基生物阳极和阴极阵列呈可拉伸岛桥结构的器件中，功率密度高达1.2 mW cm-2(图1g)。这种设计即使在50%的重复应变下也能保持其电气性能，并能提供稳定的功率输出2天。实验结果证明，该燃料电池在皮肤上安装后，可以为低功耗蓝牙模块供电。