综述 | 苏大刘瑞远等Nature Reviews Materials：柔性自充电电源

01 全文速览

在本文中，作者介绍了以柔性太阳能电池、机械能量收集器、热电、生物燃料电池为代表的能量收集器件和柔性储能器件的复合设备在单个平台上的集成。重点讨论了能量收集器和能量存储单元之间有效能量传输的电源管理策略以及这些自充电电源在柔性电子器件中的应用。最后概述了与提高性能相关的科学挑战，并在材料工程和设备设计中提出解决这些问题的策略。

02 背景介绍

蓬勃发展的柔性电子器件、柔性机器人和物联网等领域对无线电源的依赖日益增长，给数量不断增加的集成式单元供电也成为了其中一个发展瓶颈。为了满足可穿戴和柔性电子产品日益增长的能源需求，一种直接的策略是增加柔性储能设备的体积容量，包括它们的能量和功率密度。然而，创建具有越来越多功能的集成小型化平台的趋势对可持续供电提出了相当大的挑战。多个单元的高功耗不可避免地导致提前更换电池或频繁充电，造成不便。相比之下，将这些柔性设备的能量密度提高到非常高的水平会带来安全问题，尤其是在可穿戴应用中，这些应用通常会承受重复的机械应力。考虑到这些因素，一个柔性的自充电系统可以从周围环境中获取能量，同时为储能设备充电，而无需外部电源，这将是一个很有前景的解决方案。

03 本文要点

1. 讨论了各种作为无线电源的柔性自充电技术，包括柔性太阳能电池、机械能收集器、热电、生物燃料电池和具有灵活储能组件的混合设备。

2. 在材料设计、评价标准、使用寿命等方面提出了柔性能量集成装置的展望和策略。

04 图文解析

图1：各种可用于收集环境能量的柔性器件工作机制，包括太阳能电池，摩擦纳米发电机，压电发纳米电机，热电发电机，生物燃料电池和它们之间的复合能量器件。

图2：(a-d) 各种柔性超级电容器和电池的工作机理和 (e) 储能器件的柔性化制备方案。

表1：不同类型器件的总结比较

表2：人体周边环境存在可以捕获的能量

图3：各种一体化能量转化和存储器件的集成原理示意图。

图4：自充电电源的能量管理。a-b. 以太阳能电池为代表的直流充电系统和代表性电路；c-d. 以纳米发电机为代表的交流充电系统和代表性电路。

图5：柔性自充电电源在各种自驱动传感系统中的应用举例。a. 健康监测；b. 动态追踪；c. 个人热管理；d. 人机交互设备

05 总结与展望

尽管柔性自充电系统很有前景，但它们的效率仍然低于刚性设备。在柔性化的平台上管理不同类型的能源设备需要在不同方面取得进步，例如材料工程、设备设计和电源管理，以保持设备性能，甚至实现协同效应。如果没有适当的工程设计，高效的能量收集器可能会由于失配或负载损失而导致低下的能量存储效率。