自充電能源系統示意圖
近年來, 攜帶型可穿戴式電子設備被大規模應用, 並朝著小型化, 智能化, 多功能化和柔性化發展. 然而, 可穿戴電子產品面臨的主要問題是現有的電池不足以為其持續供電, 頻繁的充電和更換電池限制其進一步發展. 為解決這一問題, 除了提高儲能電池的能量密度以外, 另一可行的解決方案是將能量轉換和存儲裝置整合為自充電能源系統 (Self-charging Power Systems, SCPS) , 這使收集的能量可以即時存儲, 並實現可持續的電力供應, 這一方案近日在學術界引起廣泛關注和深入研究. 研究人員已成功研製出多種能量收集器件, 包括摩擦納米發電機 (TENG) , 壓電納米發電機 (PENG) , 太陽能電池和熱電發電機等, 這些能量收集設備可與儲能設備 (電池, 超級電容器) 結合, 進一步被整合在柔性, 可穿戴電子設備中, 即時補償電子設備的能量消耗, 甚至實現能量的自給自足.
近日, 中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員蒲雄, 胡衛國, 以及中科院院士王中林, 全面總結自充電能源系統的發展現狀, 概述已報導的各種自充電能源系統 (包括整合TENG, PENG, 太陽能電池, 熱電器件等能量轉換設備與電池, 電容器等能量存儲設備的系統) , 討論這些系統是如何在材料, 電極, 器件等不同層面上進行整合, 並側重總結面向可穿戴柔性電子設備的自充電整合系統. 論文討論了電源管理系統在自充電能源系統中的重要性, 以及目前取得的進展.
此外, 論文總結了該領域獲得的進展與面臨的問題. 重要進展: 提出多種能源整合系統的原型, 如基於PENG, TENG和太陽能電池的SCPS; 收集不同能源的SCPS各有其獨特優勢; SCPS具有眾多潛在應用, 如柔性/可穿戴電子設備, 個人醫療保健, 運動監測, 自供電感測器, 物聯網等. 主要問題: 多數SCPS仍處於概念驗證階段; SCPS中每個整合單元的效率較低; SCPS的整體系統效率有待提高; 選擇適用的儲能電池或電容器體系至關重要; 幾種SCPS的機理尚未完全清楚.
相關研究工作發表在small上.
