新型柔性儲能元件在服裝上的應(yīng)用分析

馮姣媚　劉詠梅

東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院(中國)

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新型柔性儲能元件在服裝上的應(yīng)用分析

馮姣媚劉詠梅

東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院(中國)

電源作為智能服裝上必不可少的組成部分，極大地影響了服裝的舒適性。智能服裝上輕薄、體積較小的電源能顯著提高服裝的服用性能。儲能元件的柔性化對智能服裝的設(shè)計和研發(fā)非常有意義。為探討柔性儲能設(shè)備應(yīng)用于服裝的可行性，對現(xiàn)有柔性電源進行了分類，總結(jié)了各類柔性儲能設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，對其在服裝上的應(yīng)用條件、嵌入部位、連接方式及儲能大小進行了分析，并提出開發(fā)適用于服裝的柔性儲能元件的注意事項。

柔性儲能元件；柔性電池；智能服裝；鋰離子電池；太陽能電池；鋅離子電池；超級電容器

近年來，隨著可穿戴設(shè)備的興起，智能手表、智能眼鏡、智能服裝等都逐漸進入人們的日常生活。以智能服裝為例，可監(jiān)測心率的保健服裝或LED類的裝飾服裝都需要電源的供給，而傳統(tǒng)電源的固態(tài)特征并不能很好地適應(yīng)服裝的舒適性。因此，柔性儲能元件的開發(fā)對智能服裝而言十分關(guān)鍵。柔性儲能元件若能搭配導(dǎo)電纖維、柔性傳感器等新型元件，智能服裝的舒適性必將會有很大提升[1]。

目前，很多國內(nèi)外研究機構(gòu)對柔性儲能元件都進行了深度研發(fā)和改善，但大部分柔性儲能元件的應(yīng)用背景是可穿戴智能設(shè)備，很少有科研機構(gòu)直接開發(fā)智能服裝，導(dǎo)致柔性儲能元件在智能服裝上應(yīng)用的適應(yīng)性很差。

1　柔性儲能元件的分類和技術(shù)要點

柔性電子學(xué)是將有機或無機電子器件制作于柔性塑料或金屬箔基片上的新興電子技術(shù)[2]。而柔性儲能設(shè)備在不同類型的電源上采用的技術(shù)工藝有不同程度的差異，開發(fā)最全面的是鋰離子電池和太陽能電池。

柔性儲能元件一般分為柔性電池和超級電容器兩大類。柔性電池主要有鋰離子電池類、太陽能電池類、鋅離子電池類等，而柔性超級電容器一般是指應(yīng)用了石墨烯的超級電容器。

1.1柔性鋰離子電池

隨著移動設(shè)備的興起，可多次充放電的蓄電池越來越受歡迎。鋰離子電池為蓄電池的一種，經(jīng)過20多年的發(fā)展，已成為蓄電池中發(fā)展最為成熟的一類[3]，目前大部分智能手機所用的便是鋰離子電池。作為最常用的蓄電池，鋰離子電池的柔性開發(fā)意義重大。

柔性鋰離子電池制作的關(guān)鍵是獲得柔性、可變形的電極材料。傳統(tǒng)的電極是銅箔和錫箔，因此找到柔性的集流體便能很大程度地解決鋰離子電池的柔性問題[4]。經(jīng)過研究，當前主要利用碳納米管材料作為柔性的集流體取代銅箔和錫箔，從而獲得柔性鋰離子電池。為了增加電池的比能量，還可以通過疊片方式，最后用硅膠封裝，形成柔性的全電池[5]。

柔性鋰離子電池還可以制成薄膜的形式。薄膜鋰離子電池的基片可采用金屬箔或聚合物薄膜，功能薄膜層和封裝保護層都可以做成微米級薄膜，因此在外部形態(tài)上是柔性的薄膜電池[6]。柔性鋰離子電池的制備工藝相較于其他類型電池較為復(fù)雜，且多種電池還處于開發(fā)、完善階段，因此市場應(yīng)用性不高。

1.2柔性太陽能電池

太陽能電池的柔性化是當前柔性電池研究的主要發(fā)展方向，相對柔性鋰離子電池，太陽能薄膜電池已投放市場，如應(yīng)用于雙肩背包(圖1)、可充電的太陽能服裝等。

圖1　太陽能背包

薄膜太陽能電池作為柔性太陽能電池的主要形式，具有節(jié)省原料的主要優(yōu)勢。除太陽能薄膜電池外，染料敏化太陽能電池(圖2)也能制成柔性化形態(tài)。柔性染料敏化太陽能電池是在柔性導(dǎo)電襯底上制備的電池[7]，它模擬植物的光合作用，通過吸收太陽光或人工光源，將光能轉(zhuǎn)化為電能。染料敏化太陽能電池可根據(jù)需要制成圖案、多色和透明等多種形式，其光電轉(zhuǎn)換效率能保持在10% 以上，而成本與一般的硅太陽能電池相比卻又低很多?？傮w而言，染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)與工藝簡單、成本低廉，可利用弱光，且顏色豐富，甚至可制成裝飾品[8]。

圖2　染料敏化太陽能電池

1.3柔性鋅離子電池

柔性鋅離子電池主要用于印刷電池，不可充電，但制作成本低廉。鋅離子電池屬于堿性電池，與鋰離子電池相比，原料更為環(huán)保，且無需密封。柔性鋅離子電池通過模板印刷于纖維基材上，形成可彎曲的形態(tài)，并能驅(qū)動柔性印刷電路[9]。

1.4柔性超級電容器

超級電容器是一種新型電能存儲器件，相對于傳統(tǒng)的平行板電容器，它具有更高的能量密度；相對于鋰離子電池，它具有更高的功率密度及更好的循環(huán)穩(wěn)定性[10]。它所具有的高能量密度優(yōu)勢，使其可應(yīng)用于大功率、高能量的電源，如應(yīng)急電源、穩(wěn)壓電源等[11]。

如今，超級電容器也正向柔性化方向發(fā)展，其柔性的主要工藝是利用自支撐的碳基材料作為電容收集器的主要材料。目前的柔性超級電容器主要由以下4部分組成：柔性外包裝、正負電極、電解液(液態(tài)或固態(tài))及隔膜[12]。圖3所示為柔性超級電容器結(jié)構(gòu)示意圖，電極作為其中最關(guān)鍵部件，常為自支撐的碳基材料，它們既是電極的一部分，又充當著電流收集極的角色。

圖3　柔性超級電容器結(jié)構(gòu)示意圖[11]

柔性超級電容器上應(yīng)用最廣泛的材料是石墨烯，石墨烯作為最新形態(tài)的碳單質(zhì)，具有一系列優(yōu)越的物理化學(xué)性能，易于制備柔性材料。因此，石墨烯材料已成為當今科學(xué)家研究柔性超級電容器的主要對象。

1.5柔性儲能元件小結(jié)

表1歸納了不同柔性儲能設(shè)備的技術(shù)特點及其優(yōu)缺點。

表1　不同柔性儲能設(shè)備比較

2　柔性儲能元件的研究進展

近年關(guān)于柔性儲能元件的研究逐漸成為研究熱點，尤其是隨著三星曲面屏及智能手表等的問世，柔性電源的研發(fā)逐漸提上日程。國內(nèi)外有關(guān)鋰離子電池、鋅離子電池、太陽能電池及超級電容器的柔性儲能元件的研究都有很大進展。

2.1柔性鋰離子電池的研究進展

近幾年，對柔性鋰離子電池的研究較多。研究重點集中于電池的形態(tài)、大小、電解質(zhì)和電極的材料及電池的安全性等。主要產(chǎn)品在具有柔性特點的基礎(chǔ)上，在形狀(從線狀到片狀)、待機時間等方面，呈現(xiàn)出多元的發(fā)展態(tài)勢。

2012年，韓國報道了一種柔性全固態(tài)的鋰離子電池，這款電池將鋰箔作為電極，并采用硅膠封裝后獲得全電池。同年，韓國的Kim等又提出了一種纜繩型(cable-type)柔性鋰離子電池，該電池可制備成不同形狀的電池變形產(chǎn)品，極大地方便了電子器件的設(shè)計[13]。

2013年，美國伊利諾斯大學(xué)研發(fā)出了毫米級的微型鋰離子電池，韓國蔚山國立科技學(xué)院研究出一款可變形聚合物電解質(zhì)鋰電池。

一些公司也在開發(fā)柔性的電池產(chǎn)品。三星的兄弟企業(yè)——三星SDI發(fā)布了可彎曲鋰電池，一次充電可待機5 d，可用于智能手表及腕帶。LG公司開發(fā)出一種形狀如電線的柔性鋰離子電池，能承受較大幅度的彎曲和變形，甚至打結(jié)后仍可正常工作。

柔性鋰離子電池除有電線狀外，薄如紙張的電池也已被開發(fā)。臺灣輝能科技公司(Prologium)自主研發(fā)了一款超薄可彎曲柔性電池(FLCB)(圖4)[14]，厚度僅0.33 mm，能像紙一樣被任意裁剪，外力刺激并不會對電池造成損傷，因此原有電池剪切后即可直接作為新電池使用，且FLCB能經(jīng)受1 300 ℃的高溫。如此好的性能，使其非常適合用于柔性智能終端及可穿戴設(shè)備[15]。

圖4　FLCB

2.2柔性太陽能電池

柔性太陽能電池的開發(fā)很早就已開始。日本在1976年就開始了對染料敏化太陽能電池的研究，近年來，美國、德國等也陸續(xù)進行染料敏化太陽能電池的研究[16]。柔性太陽能電池的研究重點在于提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，制備高性能的太陽能電池。

目前日本在柔性太陽能電池方面的研究比較突出，2004年，日本桐蔭大學(xué)研究生院工程學(xué)的研究小組就已試制成功了一種色素增感型太陽能電池，該電池底板采用聚酯薄膜，能達到柔性化，且質(zhì)量很輕，因此可用于彎曲的表面，如粘貼于服裝或雨傘等的表面。

美國加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家利用納米技術(shù)和聚合物研發(fā)出一種柔性太陽能電池，電池的電極間夾有幾百納米厚的有機薄膜。德國也曾報道柔性太陽能電池在服裝上的應(yīng)用，探討了電池配套的光電裝置與服裝的整體性問題[17]。

近兩年，芬蘭VTT技術(shù)中心的研究人員開發(fā)了一種柔性太陽能電池板，可用于物體的表面，也可做成移動電源，為其他設(shè)備供電。這種柔性太陽能電池板也可從室內(nèi)燈光中吸取能量(圖5)。

圖5　可做成藝術(shù)品的柔性太陽能電池板[18]

2.3柔性鋅離子電池

柔性鋅離子電池相對于其他柔性儲能設(shè)備，研究起步較晚。由于其本身易造成短路，穩(wěn)定性不高，因此開發(fā)難度很大。但近兩年，有關(guān)柔性鋅離子電池的研究取得了突破性的進展。

2014年，美國Imprint能源公司研發(fā)出一種柔性、可印刷、可充電并可自定義形狀的鋅離子電池(圖6)，這種電池可在工業(yè)絲網(wǎng)印刷機上通過廉價印刷獲得，可用于可佩戴電子產(chǎn)品、醫(yī)療產(chǎn)品、智能標簽，以及環(huán)境傳感器等產(chǎn)品中。

圖6　柔性鋅離子電池[19]

盡管柔性鋅離子電池的研發(fā)還沒有達到市場應(yīng)用的水平，但憑借其成本低廉的優(yōu)勢，相信有關(guān)這類柔性儲能設(shè)備的研究一定會再創(chuàng)佳績。

2.4柔性超級電容器

科研機構(gòu)對一般超級電容器的研究已相當成熟，但對柔性超級電容器的研究尚未深入。2014年，新加坡南洋理工大學(xué)、中國清華大學(xué)和美國凱斯西儲大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出一種類似于纖維的柔性微型超級電容器，可織成面料，為其他設(shè)備提供電源。這款電容器中包含緊致的石墨烯和碳納米管的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此其存儲能量相比薄膜鋰電池更具優(yōu)勢。如圖7所示，這種柔性的超級電容器直接成為服裝的一部分，供給服裝電源，不僅造型簡單，舒適性也大大提高。

圖7　柔性微型超級電容器[20]

該纖維還可直接織成服裝，成為智能服裝的一部分。例如，可開發(fā)成醫(yī)療監(jiān)控服裝，對病人實現(xiàn)實時監(jiān)控，并將信息反饋給醫(yī)生[20]。

2015年，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所的研發(fā)團隊在柔性超級電容器研究方面取得了新進展，制備出一種具有插指狀構(gòu)型的柔性超級電容器，可有效抑制初始放電電壓的壓降問題，并在與柔性器件結(jié)合方面具有很大的優(yōu)勢[21]。

隨著研究的不斷深入，柔性超級電容器作為特殊的一類儲能設(shè)備，將逐步改進其低能量密度的劣勢，研發(fā)出實用的儲能器件。

3　柔性儲能元件在服裝上的應(yīng)用分析

3.1應(yīng)用條件

柔性儲能設(shè)備在不同電池類型中已開發(fā)得較為全面，并不斷取得研究進展。但目前來看，很多儲能設(shè)備的開發(fā)背景主要是針對可穿戴電子設(shè)備、柔性手機等新興電子裝備，最常見的可穿戴電子設(shè)備是智能手表、智能眼鏡等。

反觀服裝領(lǐng)域，智能服裝的研究是2013年后才逐漸步入正軌的，相比之下，可穿戴設(shè)備的開發(fā)難度較小，且市場應(yīng)用性大，因此智能服裝領(lǐng)域總是滯后于可穿戴領(lǐng)域。當下熱門的智能服裝，如可監(jiān)測心率與呼吸的智能T恤、LED類服裝、可播放音樂的服裝或帶顯示屏的服裝等，都很少能利用柔性儲能設(shè)備[22]，這對智能服裝的研發(fā)進度產(chǎn)生了一定的影響。

人們期望減弱對手機的依賴性，如希望在跑步時直接依靠服裝實現(xiàn)計步、監(jiān)測及音樂播放等功能，因此智能服裝的開發(fā)變得越來越緊迫和重要。為達到更好的適應(yīng)性，有必要將柔性儲能設(shè)備引入服裝，以提高智能服裝的舒適性、減小服裝的質(zhì)量等。同時，要求柔性儲能元件能匹配其他柔性設(shè)備，確保服裝的整體舒適性。當前正在研發(fā)的柔性傳感器、導(dǎo)電纖維、柔性屏幕等，都可提高智能服裝的穿著適應(yīng)性。

因此，當智能服裝的一些功能需要電力供應(yīng)時，若可將儲能大小合適的柔性電源嵌入服裝中，同時搭配柔性傳感器、導(dǎo)電纖維、柔性屏幕等，智能服裝則將不再受款式限制，甚至可將這些柔性設(shè)備應(yīng)用于薄型緊身面料中，更大限度地擴大智能服裝的涵蓋領(lǐng)域，設(shè)計柔軟舒適的服裝。

3.2嵌入部位分析

柔性儲能元件應(yīng)用于服裝時需充分考慮嵌入部位，全面分析儲能元件大小及應(yīng)用條件，并確保與其他元件的配伍性，以達到最好的人體舒適度，同時需減少導(dǎo)線長度，保證電路順暢。

現(xiàn)以一款智能夜跑服為例作介紹。夜跑服的功能需求：

——將LED燈裝在夜跑服的適當部位，提高服裝的可視性，保證運動過程的安全性；

——利用傳感器監(jiān)測人體與服裝面料之間的溫度和濕度。一旦到達系統(tǒng)設(shè)定的使人體不舒服的溫度和濕度時，小風扇會自動工作，使人體快速排汗，減輕黏濕帶來的不適感。

這款服裝涉及的主要元件：溫度傳感器、濕度傳感器、柔性面板、柔性電源、小風扇和LED燈。為了權(quán)衡這些元件的位置關(guān)系，需要考慮服裝的質(zhì)量、穿著背景等多種因素，元件的嵌入部位可參考圖8所示方案。

圖8　一款夜跑服的元件系統(tǒng)設(shè)計

方案中將柔性電池放置于后身下擺處，這是因為該部位與人體皮膚接觸較少，且柔性電源大多質(zhì)量較小，不會給人體造成下墜感，同時也增加了美觀性。

在初步設(shè)計出智能服裝的樣衣后，需對服裝的舒適性進行主觀評價試驗，可以請若干被試者在恒溫、恒濕的條件下[如試驗環(huán)境條件:溫度(25±0.2)℃,相對濕度(65±2)%,風速小于1 m/s]穿著服裝，并對整體舒適性進行量表評價。如可制定李克特5級量表(圖9)，讓被試者受試一定時間后打分。

圖9量表

3.3連接方式

柔性儲能元件嵌入服裝的方式因材料而異，一般的柔性鋰離子電池和太陽能電池大多為薄膜狀，呈平面板狀形態(tài)，嵌入服裝過程中，平面方向上受空間限制，降低了服裝的穿著舒適性。

柔性太陽能電池與服裝結(jié)合時，可研發(fā)具有光電轉(zhuǎn)換功能的纖維狀電池單體，然后對這些纖維狀電池單體進行織造，形成電池織物，就像研發(fā)的柔性微型超級電容器一樣，通過系統(tǒng)集成形成供電模塊[23]。

有的柔性儲能元件本身呈線狀，或者薄膜基底是纖維狀的，可直接與服裝進行連接。

3.4儲能

不同種類的柔性儲能元件本身儲能不同。柔性電源應(yīng)用于服裝時，需充分考慮電源的用途，配制功率合適、儲能大小合適的產(chǎn)品。

如印刷用的鋅離子電池本身不具備可反復(fù)充電性，且成本很低，因此適用于一次性的舞臺服裝等。而有些服裝會要求加一些大功率的耗電設(shè)備時，就需要利用超級電容器類的儲能設(shè)備，以達到基本的電能輸出要求。

4　小結(jié)

通過對不同種類柔性儲能元件的介紹及智能服裝開發(fā)前景的分析可知，應(yīng)用在服裝上的柔性儲能元件具有很大的市場前景，需要科學(xué)家進行深度開發(fā)，將柔性電源搭配其他柔性設(shè)備更好地服務(wù)于智能服裝。

開發(fā)新的柔性儲能設(shè)備時，應(yīng)充分考慮以下幾方面，以達到更好地適應(yīng)智能服裝的目的。

——分析所設(shè)計的智能服裝的應(yīng)用條件，尋找合適的柔性電源；

——明確服裝的款式和定位，確定最好的嵌入部位方案；

——充分利用現(xiàn)有的柔性儲能元件，實現(xiàn)與服裝的完美連接；

——分析服裝的耗電量和功率，尋找合適的柔性儲能元件。

相信不久的將來，將有越來越多的智能服裝投入市場，柔性儲能元件將在智能服裝中發(fā)揮越來越大的作用，為穿著者提供舒適的體驗。

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Application analysis of new flexible energy-storage elements used in clothing

Feng Jiaomei，Liu Yongmei

Fashion·Art Design Institute,Donghua University,Shanghai/China

Electric sources which were indispensable to intelligent clothing greatly influenced the clothing comfortable.The thin and small power used in intelligent clothing could greatly improve the performance of clothing.The flexibility of energy storage elements was significant of the design and research of intelligent clothing.In order to explore the feasibility of the application of the flexible storage devices in clothing,the flexible energy storage equipment available was classified.The current situation of the development of all kinds of flexible energy storage devices was summarized,and the application conditions in clothing,embedded parts,connection modes and the size of energy storage were analyzed.Some problems of flexible energy storage elements used in clothing were put forward.

flexible energy-storage element; flexible battery; intelligent clothing; lithium ion battery; solar cell; zinc ion battery; supercapacitor