新型柔性储能元件在服装上的应用分析

冯姣媚　刘咏梅

东华大学 服装·艺术设计学院(中国)



新型柔性储能元件在服装上的应用分析

冯姣媚刘咏梅

东华大学 服装·艺术设计学院(中国)

电源作为智能服装上必不可少的组成部分，极大地影响了服装的舒适性。智能服装上轻薄、体积较小的电源能显著提高服装的服用性能。储能元件的柔性化对智能服装的设计和研发非常有意义。为探讨柔性储能设备应用于服装的可行性，对现有柔性电源进行了分类，总结了各类柔性储能设备的发展现状，对其在服装上的应用条件、嵌入部位、连接方式及储能大小进行了分析，并提出开发适用于服装的柔性储能元件的注意事项。

柔性储能元件；柔性电池；智能服装；锂离子电池；太阳能电池；锌离子电池；超级电容器

近年来，随着可穿戴设备的兴起，智能手表、智能眼镜、智能服装等都逐渐进入人们的日常生活。以智能服装为例，可监测心率的保健服装或LED类的装饰服装都需要电源的供给，而传统电源的固态特征并不能很好地适应服装的舒适性。因此，柔性储能元件的开发对智能服装而言十分关键。柔性储能元件若能搭配导电纤维、柔性传感器等新型元件，智能服装的舒适性必将会有很大提升[1]。

目前，很多国内外研究机构对柔性储能元件都进行了深度研发和改善，但大部分柔性储能元件的应用背景是可穿戴智能设备，很少有科研机构直接开发智能服装，导致柔性储能元件在智能服装上应用的适应性很差。

1　柔性储能元件的分类和技术要点

柔性电子学是将有机或无机电子器件制作于柔性塑料或金属箔基片上的新兴电子技术[2]。而柔性储能设备在不同类型的电源上采用的技术工艺有不同程度的差异，开发最全面的是锂离子电池和太阳能电池。

柔性储能元件一般分为柔性电池和超级电容器两大类。柔性电池主要有锂离子电池类、太阳能电池类、锌离子电池类等，而柔性超级电容器一般是指应用了石墨烯的超级电容器。

1.1柔性锂离子电池

随着移动设备的兴起，可多次充放电的蓄电池越来越受欢迎。锂离子电池为蓄电池的一种，经过20多年的发展，已成为蓄电池中发展最为成熟的一类[3]，目前大部分智能手机所用的便是锂离子电池。作为最常用的蓄电池，锂离子电池的柔性开发意义重大。

柔性锂离子电池制作的关键是获得柔性、可变形的电极材料。传统的电极是铜箔和锡箔，因此找到柔性的集流体便能很大程度地解决锂离子电池的柔性问题[4]。经过研究，当前主要利用碳纳米管材料作为柔性的集流体取代铜箔和锡箔，从而获得柔性锂离子电池。为了增加电池的比能量，还可以通过叠片方式，最后用硅胶封装，形成柔性的全电池[5]。

柔性锂离子电池还可以制成薄膜的形式。薄膜锂离子电池的基片可采用金属箔或聚合物薄膜，功能薄膜层和封装保护层都可以做成微米级薄膜，因此在外部形态上是柔性的薄膜电池[6]。柔性锂离子电池的制备工艺相较于其他类型电池较为复杂，且多种电池还处于开发、完善阶段，因此市场应用性不高。

1.2柔性太阳能电池

太阳能电池的柔性化是当前柔性电池研究的主要发展方向，相对柔性锂离子电池，太阳能薄膜电池已投放市场，如应用于双肩背包(图1)、可充电的太阳能服装等。

图1　太阳能背包

薄膜太阳能电池作为柔性太阳能电池的主要形式，具有节省原料的主要优势。除太阳能薄膜电池外，染料敏化太阳能电池(图2)也能制成柔性化形态。柔性染料敏化太阳能电池是在柔性导电衬底上制备的电池[7]，它模拟植物的光合作用，通过吸收太阳光或人工光源，将光能转化为电能。染料敏化太阳能电池可根据需要制成图案、多色和透明等多种形式，其光电转换效率能保持在10% 以上，而成本与一般的硅太阳能电池相比却又低很多。总体而言，染料敏化太阳能电池结构与工艺简单、成本低廉，可利用弱光，且颜色丰富，甚至可制成装饰品[8]。

图2　染料敏化太阳能电池

1.3柔性锌离子电池

柔性锌离子电池主要用于印刷电池，不可充电，但制作成本低廉。锌离子电池属于碱性电池，与锂离子电池相比，原料更为环保，且无需密封。柔性锌离子电池通过模板印刷于纤维基材上，形成可弯曲的形态，并能驱动柔性印刷电路[9]。

1.4柔性超级电容器

超级电容器是一种新型电能存储器件，相对于传统的平行板电容器，它具有更高的能量密度；相对于锂离子电池，它具有更高的功率密度及更好的循环稳定性[10]。它所具有的高能量密度优势，使其可应用于大功率、高能量的电源，如应急电源、稳压电源等[11]。

如今，超级电容器也正向柔性化方向发展，其柔性的主要工艺是利用自支撑的碳基材料作为电容收集器的主要材料。目前的柔性超级电容器主要由以下4部分组成：柔性外包装、正负电极、电解液(液态或固态)及隔膜[12]。图3所示为柔性超级电容器结构示意图，电极作为其中最关键部件，常为自支撑的碳基材料，它们既是电极的一部分，又充当着电流收集极的角色。

图3　柔性超级电容器结构示意图[11]

柔性超级电容器上应用最广泛的材料是石墨烯，石墨烯作为最新形态的碳单质，具有一系列优越的物理化学性能，易于制备柔性材料。因此，石墨烯材料已成为当今科学家研究柔性超级电容器的主要对象。

1.5柔性储能元件小结

表1归纳了不同柔性储能设备的技术特点及其优缺点。

表1　不同柔性储能设备比较

2　柔性储能元件的研究进展

近年关于柔性储能元件的研究逐渐成为研究热点，尤其是随着三星曲面屏及智能手表等的问世，柔性电源的研发逐渐提上日程。国内外有关锂离子电池、锌离子电池、太阳能电池及超级电容器的柔性储能元件的研究都有很大进展。

2.1柔性锂离子电池的研究进展

近几年，对柔性锂离子电池的研究较多。研究重点集中于电池的形态、大小、电解质和电极的材料及电池的安全性等。主要产品在具有柔性特点的基础上，在形状(从线状到片状)、待机时间等方面，呈现出多元的发展态势。

2012年，韩国报道了一种柔性全固态的锂离子电池，这款电池将锂箔作为电极，并采用硅胶封装后获得全电池。同年，韩国的Kim等又提出了一种缆绳型(cable-type)柔性锂离子电池，该电池可制备成不同形状的电池变形产品，极大地方便了电子器件的设计[13]。

2013年，美国伊利诺斯大学研发出了毫米级的微型锂离子电池，韩国蔚山国立科技学院研究出一款可变形聚合物电解质锂电池。

一些公司也在开发柔性的电池产品。三星的兄弟企业——三星SDI发布了可弯曲锂电池，一次充电可待机5 d，可用于智能手表及腕带。LG公司开发出一种形状如电线的柔性锂离子电池，能承受较大幅度的弯曲和变形，甚至打结后仍可正常工作。

柔性锂离子电池除有电线状外，薄如纸张的电池也已被开发。台湾辉能科技公司(Prologium)自主研发了一款超薄可弯曲柔性电池(FLCB)(图4)[14]，厚度仅0.33 mm，能像纸一样被任意裁剪，外力刺激并不会对电池造成损伤，因此原有电池剪切后即可直接作为新电池使用，且FLCB能经受1 300 ℃的高温。如此好的性能，使其非常适合用于柔性智能终端及可穿戴设备[15]。

图4　FLCB

2.2柔性太阳能电池

柔性太阳能电池的开发很早就已开始。日本在1976年就开始了对染料敏化太阳能电池的研究，近年来，美国、德国等也陆续进行染料敏化太阳能电池的研究[16]。柔性太阳能电池的研究重点在于提高太阳能的转换效率，制备高性能的太阳能电池。

目前日本在柔性太阳能电池方面的研究比较突出，2004年，日本桐荫大学研究生院工程学的研究小组就已试制成功了一种色素增感型太阳能电池，该电池底板采用聚酯薄膜，能达到柔性化，且质量很轻，因此可用于弯曲的表面，如粘贴于服装或雨伞等的表面。

美国加利福尼亚大学的科学家利用纳米技术和聚合物研发出一种柔性太阳能电池，电池的电极间夹有几百纳米厚的有机薄膜。德国也曾报道柔性太阳能电池在服装上的应用，探讨了电池配套的光电装置与服装的整体性问题[17]。

近两年，芬兰VTT技术中心的研究人员开发了一种柔性太阳能电池板，可用于物体的表面，也可做成移动电源，为其他设备供电。这种柔性太阳能电池板也可从室内灯光中吸取能量(图5)。

图5　可做成艺术品的柔性太阳能电池板[18]

2.3柔性锌离子电池

柔性锌离子电池相对于其他柔性储能设备，研究起步较晚。由于其本身易造成短路，稳定性不高，因此开发难度很大。但近两年，有关柔性锌离子电池的研究取得了突破性的进展。

2014年，美国Imprint能源公司研发出一种柔性、可印刷、可充电并可自定义形状的锌离子电池(图6)，这种电池可在工业丝网印刷机上通过廉价印刷获得，可用于可佩戴电子产品、医疗产品、智能标签，以及环境传感器等产品中。

图6　柔性锌离子电池[19]

尽管柔性锌离子电池的研发还没有达到市场应用的水平，但凭借其成本低廉的优势，相信有关这类柔性储能设备的研究一定会再创佳绩。

2.4柔性超级电容器

科研机构对一般超级电容器的研究已相当成熟，但对柔性超级电容器的研究尚未深入。2014年，新加坡南洋理工大学、中国清华大学和美国凯斯西储大学联合开发出一种类似于纤维的柔性微型超级电容器，可织成面料，为其他设备提供电源。这款电容器中包含紧致的石墨烯和碳纳米管的互联网络，因此其存储能量相比薄膜锂电池更具优势。如图7所示，这种柔性的超级电容器直接成为服装的一部分，供给服装电源，不仅造型简单，舒适性也大大提高。

图7　柔性微型超级电容器[20]

该纤维还可直接织成服装，成为智能服装的一部分。例如，可开发成医疗监控服装，对病人实现实时监控，并将信息反馈给医生[20]。

2015年，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所的研发团队在柔性超级电容器研究方面取得了新进展，制备出一种具有插指状构型的柔性超级电容器，可有效抑制初始放电电压的压降问题，并在与柔性器件结合方面具有很大的优势[21]。

随着研究的不断深入，柔性超级电容器作为特殊的一类储能设备，将逐步改进其低能量密度的劣势，研发出实用的储能器件。

3　柔性储能元件在服装上的应用分析

3.1应用条件

柔性储能设备在不同电池类型中已开发得较为全面，并不断取得研究进展。但目前来看，很多储能设备的开发背景主要是针对可穿戴电子设备、柔性手机等新兴电子装备，最常见的可穿戴电子设备是智能手表、智能眼镜等。

反观服装领域，智能服装的研究是2013年后才逐渐步入正轨的，相比之下，可穿戴设备的开发难度较小，且市场应用性大，因此智能服装领域总是滞后于可穿戴领域。当下热门的智能服装，如可监测心率与呼吸的智能T恤、LED类服装、可播放音乐的服装或带显示屏的服装等，都很少能利用柔性储能设备[22]，这对智能服装的研发进度产生了一定的影响。

人们期望减弱对手机的依赖性，如希望在跑步时直接依靠服装实现计步、监测及音乐播放等功能，因此智能服装的开发变得越来越紧迫和重要。为达到更好的适应性，有必要将柔性储能设备引入服装，以提高智能服装的舒适性、减小服装的质量等。同时，要求柔性储能元件能匹配其他柔性设备，确保服装的整体舒适性。当前正在研发的柔性传感器、导电纤维、柔性屏幕等，都可提高智能服装的穿着适应性。

因此，当智能服装的一些功能需要电力供应时，若可将储能大小合适的柔性电源嵌入服装中，同时搭配柔性传感器、导电纤维、柔性屏幕等，智能服装则将不再受款式限制，甚至可将这些柔性设备应用于薄型紧身面料中，更大限度地扩大智能服装的涵盖领域，设计柔软舒适的服装。

3.2嵌入部位分析

柔性储能元件应用于服装时需充分考虑嵌入部位，全面分析储能元件大小及应用条件，并确保与其他元件的配伍性，以达到最好的人体舒适度，同时需减少导线长度，保证电路顺畅。

现以一款智能夜跑服为例作介绍。夜跑服的功能需求：

——将LED灯装在夜跑服的适当部位，提高服装的可视性，保证运动过程的安全性；

——利用传感器监测人体与服装面料之间的温度和湿度。一旦到达系统设定的使人体不舒服的温度和湿度时，小风扇会自动工作，使人体快速排汗，减轻黏湿带来的不适感。

这款服装涉及的主要元件：温度传感器、湿度传感器、柔性面板、柔性电源、小风扇和LED灯。为了权衡这些元件的位置关系，需要考虑服装的质量、穿着背景等多种因素，元件的嵌入部位可参考图8所示方案。

图8　一款夜跑服的元件系统设计

方案中将柔性电池放置于后身下摆处，这是因为该部位与人体皮肤接触较少，且柔性电源大多质量较小，不会给人体造成下坠感，同时也增加了美观性。

在初步设计出智能服装的样衣后，需对服装的舒适性进行主观评价试验，可以请若干被试者在恒温、恒湿的条件下[如试验环境条件:温度(25±0.2)℃,相对湿度(65±2)%,风速小于1 m/s]穿着服装，并对整体舒适性进行量表评价。如可制定李克特5级量表(图9)，让被试者受试一定时间后打分。

图9量表

3.3连接方式

柔性储能元件嵌入服装的方式因材料而异，一般的柔性锂离子电池和太阳能电池大多为薄膜状，呈平面板状形态，嵌入服装过程中，平面方向上受空间限制，降低了服装的穿着舒适性。

柔性太阳能电池与服装结合时，可研发具有光电转换功能的纤维状电池单体，然后对这些纤维状电池单体进行织造，形成电池织物，就像研发的柔性微型超级电容器一样，通过系统集成形成供电模块[23]。

有的柔性储能元件本身呈线状，或者薄膜基底是纤维状的，可直接与服装进行连接。

3.4储能

不同种类的柔性储能元件本身储能不同。柔性电源应用于服装时，需充分考虑电源的用途，配制功率合适、储能大小合适的产品。

如印刷用的锌离子电池本身不具备可反复充电性，且成本很低，因此适用于一次性的舞台服装等。而有些服装会要求加一些大功率的耗电设备时，就需要利用超级电容器类的储能设备，以达到基本的电能输出要求。

4　小结

通过对不同种类柔性储能元件的介绍及智能服装开发前景的分析可知，应用在服装上的柔性储能元件具有很大的市场前景，需要科学家进行深度开发，将柔性电源搭配其他柔性设备更好地服务于智能服装。

开发新的柔性储能设备时，应充分考虑以下几方面，以达到更好地适应智能服装的目的。

——分析所设计的智能服装的应用条件，寻找合适的柔性电源；

——明确服装的款式和定位，确定最好的嵌入部位方案；

——充分利用现有的柔性储能元件，实现与服装的完美连接；

——分析服装的耗电量和功率，寻找合适的柔性储能元件。

相信不久的将来，将有越来越多的智能服装投入市场，柔性储能元件将在智能服装中发挥越来越大的作用，为穿着者提供舒适的体验。

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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