智能穿戴設(shè)備的能源解決方案

劉競雅

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009)

智能穿戴設(shè)備的能源解決方案

劉競雅

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009)

智能穿戴設(shè)備的進一步發(fā)展受限于電池的有限能量和待機時間。為解決這一能源瓶頸問題，國內(nèi)外學(xué)者圍繞著能量存儲技術(shù)和能量收集技術(shù)展開了廣泛深入的研究。從這兩方面簡要綜述了現(xiàn)有技術(shù)的工作原理及研究進展，并指出了未來仍需解決的主要問題。

智能穿戴設(shè)備；能量存儲；能量收集

隨著移動通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，近年來智能穿戴設(shè)備發(fā)展十分迅速，成為了一個市場熱點。智能穿戴設(shè)備是指與人體穿著的衣服鞋帽或者佩戴的飾物等集成為一體的，具有傳感、監(jiān)測、導(dǎo)航、通信等功能的智能終端器件。如今，智能穿戴產(chǎn)品層出不窮，從智能服飾、鞋子到智能眼鏡、手環(huán)/手表，再到智能家居等領(lǐng)域，可實現(xiàn)拍照、導(dǎo)航、通信、健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等各類功能。隨著谷歌、蘋果、三星、華為、小米等眾多國內(nèi)外公司相繼推出智能穿戴產(chǎn)品，市場的規(guī)模逐步擴大，同時競爭也愈加激烈。然而，智能產(chǎn)品功能的不斷豐富使得功耗也越來越大，傳統(tǒng)的電池難以滿足其功能需求。增加電池的體積質(zhì)量固然提高電池容量，但顯然難以實現(xiàn)智能穿戴產(chǎn)品的便攜舒適性，而降低設(shè)備的功耗又會使產(chǎn)品的功能減少或性能下降。優(yōu)化智能設(shè)備的芯片設(shè)計和操作系統(tǒng)對問題的改善也非常有限?？梢哉f，智能穿戴產(chǎn)品的供能問題成為了制約其進一步發(fā)展的一個技術(shù)瓶頸。

針對這一問題，學(xué)術(shù)界一方面持續(xù)加大對儲能技術(shù)的研究，開發(fā)具有更大比能量、更快充放電速度、更長循環(huán)壽命的儲能設(shè)備；另一方面，探索多種形式的能量收集技術(shù)，即把人體或者工作環(huán)境的諸如光、熱、運動、射頻等等能量轉(zhuǎn)換收集，以實現(xiàn)對智能穿戴產(chǎn)品的持續(xù)供電或者能量補充。本文將從這兩個發(fā)面出發(fā)，系統(tǒng)分析現(xiàn)有的各種技術(shù)原理和特征，并簡要論述國內(nèi)外相關(guān)的研究熱點和趨勢。

1 能量存儲技術(shù)

移動電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用離不開電池技術(shù)的發(fā)展，尤其是鋰離子二次電池。相比于氫鎳電池和鉛酸電池，鋰離子電池具有高的比能量和功率密度。鋰離子電池的電極反應(yīng)是基于鋰離子的嵌入機制(lithium intercalation)?；钚圆牧系木w結(jié)構(gòu)具有層狀結(jié)構(gòu)，充放電時鋰離子在正負極間通過電解液來回穿梭，并嵌入(或嵌出)到層狀活性材料的晶體層間，不改變活性物質(zhì)的晶形。這樣，充放電對活性材料的破壞較小，使得電池反應(yīng)可逆性高、循環(huán)壽命較長。而有機電解液的使用則使得電池的電壓能最大可達5 V左右，大大高于使用水溶液為電解液的電池(約1.5 V)。常用的正極材料有層狀晶形結(jié)構(gòu)的氧化物(如LiCoO2)、類橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽(如LiFePO4)；常用的負極材料為層狀晶形的石墨碳[1]。

如今，智能穿戴設(shè)備的快速發(fā)展對可充放電二次電池提出了新的要求，主要為：(1)提高電池的比能量、比容量，以此降低電池的質(zhì)量和體積，提高待機時間和使用壽命；(2)開發(fā)可彎折變形的柔性電池，以便與智能穿戴設(shè)備更好地結(jié)合，例如把電池做成柔軟的表帶。為提高比能量，一系列新的電極材料成為研究熱點，例如基于合金化反應(yīng)機理的電極材料(例如單質(zhì)硅、鍺)[2]，基于轉(zhuǎn)化機理的氧化物、硫化物(例如MnO2、Fe2O3)[3]。另外高比能量的鋰硫電池和鋰空氣電池也受到了廣泛的關(guān)注[4]。同時，為增加電池的柔性，納米碳材料(碳納米管、石墨烯、碳纖維等)被用來取代傳統(tǒng)的金屬集流體[5]。

最近開發(fā)的超級電容器是另外一種可能的儲能技術(shù)，其優(yōu)點主要為：功率密度大、充放電速度快、安全性更好。但是相比于鋰電池，其比能量更低。超級電容器分為雙電層電容器和贗電容電容器。雙電層電容器多使用碳納米材料作為電極材料，而贗電容電容器在雙電層電容器的基礎(chǔ)上添加進行氧化還原反應(yīng)的導(dǎo)電高分子、金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氫氧化物等作為活性材料，相比前者能量更高[6]。近來，大量的研究報道了各種形式的柔性超級電容器，例如具有織物紡線形狀的超級電容器、超級電容器紙張、或者是布料式超級電容器，為其與智能穿戴電子的結(jié)合提供了思路。

2 能量收集技術(shù)

收集智能穿戴設(shè)備工作環(huán)境或人體相關(guān)的能源，以補償穿戴設(shè)備的功耗、延長其待機時間、減少充電次數(shù)，甚至完全取代電池，是解決智能穿戴設(shè)備供電瓶頸的另一思路?；谑占茉吹男问椒诸悾饕泄饽?、熱能、機械運動能、電磁射頻能。各種形式能源的分布和可收集密度可見表1。

表1 不同形式能源的分布和可收集功率密度[1]

2.1 光能

光能廣泛存在，能量大，且轉(zhuǎn)化收集技術(shù)相對較為成熟?；诠璨牧虾投嘣衔锇雽?dǎo)體材料的太陽電池得到了廣泛的應(yīng)用，且在一些電子設(shè)備中早有應(yīng)用。但是無機材料為主的薄膜太陽電池難以滿足智能穿戴電子柔性要求，因而近來發(fā)展的染料敏化太陽電池、有機薄膜太陽電池、量子點太陽電池和鈣鈦礦太陽電池成為可能的替代方案。例如，復(fù)旦大學(xué)近來報道了基于碳納米管纖維的線狀柔性鈣鈦礦太陽電池和線狀有機太陽電池，可編織到普通衣服布料里[8]。

2.2 熱能

熱能是另外一種廣泛存在的能源，相應(yīng)的能量收集技術(shù)主要為熱電發(fā)電技術(shù)，其原理是基于材料的熱電效應(yīng)，又稱為Seebeck效應(yīng)，即載流子(電子或空穴)因為材料的溫度梯度而產(chǎn)生流動在材料的高低溫端形成熱電勢，并驅(qū)動外電路電子移動產(chǎn)生電流。熱電發(fā)電機的效率主要取決于材料的熱電優(yōu)值式中，S、σ、k分別為材料的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率，T為工作溫度。因此，電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)高且導(dǎo)熱率低的材料具有更高的熱電優(yōu)值。但是，材料的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)又是相互關(guān)聯(lián)的，且電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率多為正相關(guān)的關(guān)系，所以提高材料的熱電優(yōu)值并不容易。目前開發(fā)的熱電材料在常溫下最高熱電優(yōu)值在1左右，為碲化鉍。

2.3 機械能

將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)具有悠久的歷史。從最初的磁電發(fā)電、靜電發(fā)電到近來提出的壓電發(fā)電和摩擦發(fā)電，可實現(xiàn)對各種形式機械能量的收集，例如機械振動、轉(zhuǎn)動、滑動、液體的流動和生物體運動。相比于太陽能和熱能受地理、氣候的影響，機械能具有相對更廣泛的分布。而對于智能穿戴設(shè)備，人體自身的運動是非常理想的能量來源。傳統(tǒng)的磁電發(fā)電技術(shù)盡管取得了廣泛的應(yīng)用，卻難以應(yīng)用到移動電子和穿戴設(shè)備中。這是因為一方面其所需的磁體很難實現(xiàn)柔性，另一方面發(fā)電機尺寸和磁場的減小導(dǎo)致其功率急劇下降，難以實現(xiàn)小型化。最近開發(fā)的駐極體發(fā)電機、壓電發(fā)電機和摩擦發(fā)電機因克服了上述兩點缺陷，得到了各國學(xué)者較為廣泛的關(guān)注。

駐極體又稱永電體，是一種具有近乎永久靜電場的介電材料，最早由Eguchi于1922年發(fā)明。駐極體有兩種形式，一種是因材料表面具有不能移動的靜電電荷，另一種是因材料偶極子在宏觀上定向分布。駐極體在麥克風(fēng)、耳機、音響、聲音傳感器等等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。近年來Yuji Suzuki等人又利用駐極體材料實現(xiàn)對機械能的收集[10]。當(dāng)兩個電極相對駐極體發(fā)生相對運動時，駐極體的靜電場可驅(qū)動兩電極間電子經(jīng)外電路發(fā)生往返運動，產(chǎn)生電流。不同于磁電發(fā)電機，駐極體發(fā)電機可實現(xiàn)微型化，并被應(yīng)用到微機電系統(tǒng)器件中。

壓電發(fā)電技術(shù)最早由王中林教授于2006年提出，其機理是基于材料的壓電效應(yīng)，即材料因外加應(yīng)力而產(chǎn)生極化電勢[11]。具有壓電效應(yīng)的材料因其正負電荷中心具有非中心對稱的結(jié)構(gòu)，在外加應(yīng)力下正負電荷中心不重合，產(chǎn)生極化電勢，且可驅(qū)動外電路電子的移動，從而實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)化。具有壓電效應(yīng)的典型材料有PbZrTiO3、ZnO、PVDF等。壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)通常具有三明治結(jié)構(gòu)，兩個金屬薄膜電極間為陣列式的壓電材料納米線(例如ZnO)，可實現(xiàn)較好的柔性，且可收集按壓、彎折等多種形式機械能，因而能很好地與智能穿戴設(shè)備結(jié)合，收集人體運動能量[12]。

摩擦發(fā)電機是基于廣為人知的摩擦起電效應(yīng)。盡管我們在日常生活經(jīng)常遇到摩擦起電的現(xiàn)象，但直到2012年才由王中林教授提出摩擦發(fā)電的概念[13]。兩種電負性差異較大的材料相互接觸摩擦后，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得一種材料表面帶負電荷，而另一種帶正電，產(chǎn)生靜電場。當(dāng)兩金屬電極相對這兩種材料運動時，靜電場驅(qū)使外電路電子往復(fù)運動，產(chǎn)生電流。摩擦發(fā)電機的一大特點是極高的電壓和大的內(nèi)阻抗。由于摩擦起電效應(yīng)的廣泛存在，摩擦發(fā)電機的材料選擇廣泛，從高分子聚合物到金屬、無機材料、生物材料，都可以設(shè)計到摩擦發(fā)電機中。這也使其易于實現(xiàn)柔性化，并與智能穿戴設(shè)備結(jié)合。近來王中林教授還報道了一種可植入與人體收集心臟搏動能量的摩擦發(fā)電機，實現(xiàn)對心臟起搏器的供電[14]。

2.4 無線射頻

無線能量傳輸最早于1899年由Nikola Tesla首次嘗試成功。如今，無線功率傳輸主要分為基于電磁感應(yīng)的近場傳輸，和基于微波功率傳輸?shù)倪h場傳輸。前者通過線圈實現(xiàn)，后者通過天線實現(xiàn)電磁波的接收。如表1所示，無線射頻能量功率密度相對較低，但隨著現(xiàn)代社會手機通信、無線廣播設(shè)施的增加，無線射頻能量收集在傳感器、智能穿戴設(shè)備中的應(yīng)用前景也越來越好[15]。

3 結(jié)論與展望

本文分析了智能穿戴設(shè)備發(fā)展遇到的能源瓶頸問題，并簡要綜述了目前的解決技術(shù)，包括現(xiàn)有的以鋰離子電池和超級電容器為主的能源存儲技術(shù)、和對工作環(huán)境的能源進行收集利用的各種能量收集技術(shù)。盡管這些技術(shù)目前受到了國際社會的廣泛研究并取得了長足的進步，但本文認為下列問題仍需要進一步的深入研究：能量儲存設(shè)備(電池和超級電容器)的安全性是仍然沒有解決的問題，這同時也會限制其柔性化設(shè)計；能量收集技術(shù)的功率密度都還相對較低，目前還難以實現(xiàn)對智能穿戴電子的持續(xù)供電，仍需要與儲能技術(shù)相結(jié)合，提供能量補給，爭取實現(xiàn)無需充電的的自給自足的供能系統(tǒng)；各種能量收集技術(shù)都具有不同的輸出特性，因而各自都需要開發(fā)相應(yīng)能量管理電路，以實現(xiàn)輸出功率的最大化；未來的一個趨勢是集成多種不同能量收集技術(shù)，例如集成太陽能電池和人體熱能收集技術(shù)，實現(xiàn)全天候的能量收集；小型化、柔性化、以及時尚化設(shè)計仍然是各種能量存儲技術(shù)和能量收集技術(shù)的一個挑戰(zhàn)。

[1]SCROSATI B，GARCHE J.Lithium batteries：status，prospects and future[J].Journal of Power Sources，2010，195(9)：2419-2430.

[2]BESENHARD J，YANG J，WINTER M.Will advanced lithium-alloy anodes have a chance in lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources，1997，68(1)：87-90.

[3]WU H，CHEN J，HNG H，et al.Nanostructured metal oxide-based materials as advanced anodes for lithium-ion batteries[J].Nanoscale，2012，4(8)：2526-2542.

[4]BRUCE P，F(xiàn)REUNBERGER S，HARDWICK L，et al.Li-O2and Li-S batteries with high energy storage[J].Nature Materials，2012，11(1)：19-29.

[5]ZHOU G，LI F，CHENG H.Progress in flexible lithium batteries and future prospects[J].Energy&Environmental Science，2014，7(4)：1307-1338.

[6]WANG G，ZHANG L，ZHANG J.A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors[J].Chemical Society Reviews，2012，41(2)：797-828.

[7]VULLERS R，SCHAIJK R，DOMS I，et al.Micropower energy harvesting[J].Solid-State Electronics，2009，53(7)：684-693.

[8]CHEN T，QIU L，YANG Z，et al.An integrated“energy wire”for both photoelectric conversion and energy storage[J].Angewandte Chemie International Edition，2012，51(48)：11977-11980.

[9]DISALVO F.Thermoelectric cooling and power generation[J].Science，1999，285：703-706.

[10]SUZUKI Y，MIKI D，EDAMOTO M，et al.A MEMS electret generator with electrostatic levitation for vibration-driven energy-harvesting applications[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20(10)：104002.

[11]WANG Z，SONG J.Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays[J].Science，2006，312：242-246.

[12]WANG Z，WANG X.Nanogenerators and piezotronics[J].Nano Energy，2015，14：1-2.

[13]FAN F，TIAN Z，WANG Z.Flexible triboelectric generator[J]. Nano Energy，2012，1(2)：328-334.

[14]ZHENG Q，SHI B，F(xiàn)AN F，et al.In vivo powering of pacemaker by breathing-driven implanted triboelectric nanogenerator[J].Advanced Materials，2014，26(33)：5851-5856.

[15]VISSER H，VULLERS R.RF energy harvesting and transport for wireless sensor network applications：Principles and requirements [J].Proceedings of the IEEE，2013，101(6)：1410-1423.

Energy solutions for smart wearable electronics

LIU Jing-ya
(China Airborne Missile Academy,Luoyang Henan 471009,China)

The development of smart wearable electronics is hindered by the limited energy and short operational time of the currently used batteries.To solve this bottleneck-like problem,worldwide research is focused on the technologies of energy storage and energy harvesting.Different types of energy storage and energy harvesting devices were summarized.The working principles and current progress were briefly reviewed as well.The remaining challenges were also pointed out.

smart wearable electronics;energy storage;energy harvesting

TM912

A

1002-087X(2017)05-0834-03

2016-10-12

劉競雅(1984—)，女，河南省人，工程師，碩士，主要研究方向為薄膜材料。