应用于便携式电子器件的自充电智能手环

随着多功能器件与可穿戴技术的快速发展，对于便携式可持续的轻便能量单元的需求也与日俱增。而对于可穿戴设备的实际应用，从人体运动中采集能量并高效率存储起来的方式，受到了国内外科研学者的广泛关注。然而，现有的能量系统多受限于复杂的外部电路以及较低的能量转换效率，并且柔性舒适度较低，限制了其在微型化一体化可穿戴电子等领域的应用。一方面，考虑到工作模式与工作效率，自由式滑动摩擦纳米发电机克服了材料选择与空间限制，能够在一次运动周期中最大化的采集机械能，具有较好的兼容性与稳定性；另一方面，采用微型超级电容器作为储能元件，相比于传统超级电容器厚度大幅减低，且系统集成度与器件灵活度提升。因此，如何将能量采集与能量存储单元有机结合，得到具有高效稳定的自充电能量单元，并应用于可穿戴便携式电子中，是一个亟待解决的巨大挑战。

近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组将自由式摩擦纳米发电机与双面微型超级电容器，并配合能量管理模块，提出了高效率自充电智能手环模型，同时采用柔性印刷电路板工艺，成功解决了集成度低、能量转换效率差与工作场景受限等问题。相关研究成果以“High-efficiency self-charging smart bracelet for portable electronics”为题，发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上，博士研究生宋宇为论文第一作者，张海霞教授为通讯作者。

该高效自充电智能手环分为四部分，可以直接佩戴在手腕部，具有良好的便携性与兼容性。智能手环由自由式摩擦纳米发电机、能量管理模块、双面微型超级电容器与便携式电子器件组成。首先通过能量采集部分，可以将人体运动的机械能转换为电能，同时，利用能量管理模块，电能可以有效传输并直接存储在能量存储元件中，并可以通过模式控制，有效驱动便携式电子稳定工作。对于能量存储部分，采用激光图形化与聚合物转移的方式，得到双面结构的微型超级电容器，并具有良好的可拉伸能力，进一步通过串并联组合，拓展了其工作能力，展现出良好的循环稳定性与电化学性能，在弯曲与拉伸状态下仍可稳定工作。对于能量采集部分，通过印刷电路板工艺，同时制备叉指结构的摩擦发电机与能量管理电路，再一次运动过程中，经历多次电荷转移过程，并配合LC振荡电路，得到最大69.3%的能量转换效率，具有良好的兼容性与匹配能力。将能量采集部分、管理模块与能量存储部分依次连接，配合便携式电子器件，得到自充电智能手环雏形。因此，通过集成化一体式结构设计与性能优化，该自充电智能手环在人体运动的过程实现同步的能量采集存储与驱动功能，在可拉伸可穿戴电子与智能能量系统等领域具有巨大潜力。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助。

文章链接：High-efficiency self-charging smart bracelet for portable electronics (Nano Energy, 2018, doi:10.1016/j.nanoen.2018.10.045, 55, 29-36)

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.045