智能穿戴设备的能源解决方案

刘竞雅

(中国空空导弹研究院，河南洛阳471009)

智能穿戴设备的能源解决方案

刘竞雅

(中国空空导弹研究院，河南洛阳471009)

智能穿戴设备的进一步发展受限于电池的有限能量和待机时间。为解决这一能源瓶颈问题，国内外学者围绕着能量存储技术和能量收集技术展开了广泛深入的研究。从这两方面简要综述了现有技术的工作原理及研究进展，并指出了未来仍需解决的主要问题。

智能穿戴设备；能量存储；能量收集

随着移动通信技术的蓬勃发展，近年来智能穿戴设备发展十分迅速，成为了一个市场热点。智能穿戴设备是指与人体穿着的衣服鞋帽或者佩戴的饰物等集成为一体的，具有传感、监测、导航、通信等功能的智能终端器件。如今，智能穿戴产品层出不穷，从智能服饰、鞋子到智能眼镜、手环/手表，再到智能家居等领域，可实现拍照、导航、通信、健康监测、运动监测、环境监测等各类功能。随着谷歌、苹果、三星、华为、小米等众多国内外公司相继推出智能穿戴产品，市场的规模逐步扩大，同时竞争也愈加激烈。然而，智能产品功能的不断丰富使得功耗也越来越大，传统的电池难以满足其功能需求。增加电池的体积质量固然提高电池容量，但显然难以实现智能穿戴产品的便携舒适性，而降低设备的功耗又会使产品的功能减少或性能下降。优化智能设备的芯片设计和操作系统对问题的改善也非常有限。可以说，智能穿戴产品的供能问题成为了制约其进一步发展的一个技术瓶颈。

针对这一问题，学术界一方面持续加大对储能技术的研究，开发具有更大比能量、更快充放电速度、更长循环寿命的储能设备；另一方面，探索多种形式的能量收集技术，即把人体或者工作环境的诸如光、热、运动、射频等等能量转换收集，以实现对智能穿戴产品的持续供电或者能量补充。本文将从这两个发面出发，系统分析现有的各种技术原理和特征，并简要论述国内外相关的研究热点和趋势。

1 能量存储技术

移动电子设备的广泛应用离不开电池技术的发展，尤其是锂离子二次电池。相比于氢镍电池和铅酸电池，锂离子电池具有高的比能量和功率密度。锂离子电池的电极反应是基于锂离子的嵌入机制(lithium intercalation)。活性材料的晶体结构具有层状结构，充放电时锂离子在正负极间通过电解液来回穿梭，并嵌入(或嵌出)到层状活性材料的晶体层间，不改变活性物质的晶形。这样，充放电对活性材料的破坏较小，使得电池反应可逆性高、循环寿命较长。而有机电解液的使用则使得电池的电压能最大可达5 V左右，大大高于使用水溶液为电解液的电池(约1.5 V)。常用的正极材料有层状晶形结构的氧化物(如LiCoO2)、类橄榄石结构的磷酸盐(如LiFePO4)；常用的负极材料为层状晶形的石墨碳[1]。

如今，智能穿戴设备的快速发展对可充放电二次电池提出了新的要求，主要为：(1)提高电池的比能量、比容量，以此降低电池的质量和体积，提高待机时间和使用寿命；(2)开发可弯折变形的柔性电池，以便与智能穿戴设备更好地结合，例如把电池做成柔软的表带。为提高比能量，一系列新的电极材料成为研究热点，例如基于合金化反应机理的电极材料(例如单质硅、锗)[2]，基于转化机理的氧化物、硫化物(例如MnO2、Fe2O3)[3]。另外高比能量的锂硫电池和锂空气电池也受到了广泛的关注[4]。同时，为增加电池的柔性，纳米碳材料(碳纳米管、石墨烯、碳纤维等)被用来取代传统的金属集流体[5]。

最近开发的超级电容器是另外一种可能的储能技术，其优点主要为：功率密度大、充放电速度快、安全性更好。但是相比于锂电池，其比能量更低。超级电容器分为双电层电容器和赝电容电容器。双电层电容器多使用碳纳米材料作为电极材料，而赝电容电容器在双电层电容器的基础上添加进行氧化还原反应的导电高分子、金属氧化物、金属硫化物、金属氢氧化物等作为活性材料，相比前者能量更高[6]。近来，大量的研究报道了各种形式的柔性超级电容器，例如具有织物纺线形状的超级电容器、超级电容器纸张、或者是布料式超级电容器，为其与智能穿戴电子的结合提供了思路。

2 能量收集技术

收集智能穿戴设备工作环境或人体相关的能源，以补偿穿戴设备的功耗、延长其待机时间、减少充电次数，甚至完全取代电池，是解决智能穿戴设备供电瓶颈的另一思路。基于收集能源的形式分类，主要有光能、热能、机械运动能、电磁射频能。各种形式能源的分布和可收集密度可见表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

光能广泛存在，能量大，且转化收集技术相对较为成熟。基于硅材料和多元化合物半导体材料的太阳电池得到了广泛的应用，且在一些电子设备中早有应用。但是无机材料为主的薄膜太阳电池难以满足智能穿戴电子柔性要求，因而近来发展的染料敏化太阳电池、有机薄膜太阳电池、量子点太阳电池和钙钛矿太阳电池成为可能的替代方案。例如，复旦大学近来报道了基于碳纳米管纤维的线状柔性钙钛矿太阳电池和线状有机太阳电池，可编织到普通衣服布料里[8]。

2.2 热能

热能是另外一种广泛存在的能源，相应的能量收集技术主要为热电发电技术，其原理是基于材料的热电效应，又称为Seebeck效应，即载流子(电子或空穴)因为材料的温度梯度而产生流动在材料的高低温端形成热电势，并驱动外电路电子移动产生电流。热电发电机的效率主要取决于材料的热电优值式中，S、σ、k分别为材料的Seebeck系数、电导率、热导率，T为工作温度。因此，电导率和Seebeck系数高且导热率低的材料具有更高的热电优值。但是，材料的电导率、热导率和Seebeck系数又是相互关联的，且电导率和热导率多为正相关的关系，所以提高材料的热电优值并不容易。目前开发的热电材料在常温下最高热电优值在1左右，为碲化铋。

2.3 机械能

将机械能转化为电能的发电技术具有悠久的历史。从最初的磁电发电、静电发电到近来提出的压电发电和摩擦发电，可实现对各种形式机械能量的收集，例如机械振动、转动、滑动、液体的流动和生物体运动。相比于太阳能和热能受地理、气候的影响，机械能具有相对更广泛的分布。而对于智能穿戴设备，人体自身的运动是非常理想的能量来源。传统的磁电发电技术尽管取得了广泛的应用，却难以应用到移动电子和穿戴设备中。这是因为一方面其所需的磁体很难实现柔性，另一方面发电机尺寸和磁场的减小导致其功率急剧下降，难以实现小型化。最近开发的驻极体发电机、压电发电机和摩擦发电机因克服了上述两点缺陷，得到了各国学者较为广泛的关注。

驻极体又称永电体，是一种具有近乎永久静电场的介电材料，最早由Eguchi于1922年发明。驻极体有两种形式，一种是因材料表面具有不能移动的静电电荷，另一种是因材料偶极子在宏观上定向分布。驻极体在麦克风、耳机、音响、声音传感器等等领域中有着广泛的应用。近年来Yuji Suzuki等人又利用驻极体材料实现对机械能的收集[10]。当两个电极相对驻极体发生相对运动时，驻极体的静电场可驱动两电极间电子经外电路发生往返运动，产生电流。不同于磁电发电机，驻极体发电机可实现微型化，并被应用到微机电系统器件中。

压电发电技术最早由王中林教授于2006年提出，其机理是基于材料的压电效应，即材料因外加应力而产生极化电势[11]。具有压电效应的材料因其正负电荷中心具有非中心对称的结构，在外加应力下正负电荷中心不重合，产生极化电势，且可驱动外电路电子的移动，从而实现机械能到电能的转化。具有压电效应的典型材料有PbZrTiO3、ZnO、PVDF等。压电发电机的结构通常具有三明治结构，两个金属薄膜电极间为阵列式的压电材料纳米线(例如ZnO)，可实现较好的柔性，且可收集按压、弯折等多种形式机械能，因而能很好地与智能穿戴设备结合，收集人体运动能量[12]。

摩擦发电机是基于广为人知的摩擦起电效应。尽管我们在日常生活经常遇到摩擦起电的现象，但直到2012年才由王中林教授提出摩擦发电的概念[13]。两种电负性差异较大的材料相互接触摩擦后，电子发生转移，使得一种材料表面带负电荷，而另一种带正电，产生静电场。当两金属电极相对这两种材料运动时，静电场驱使外电路电子往复运动，产生电流。摩擦发电机的一大特点是极高的电压和大的内阻抗。由于摩擦起电效应的广泛存在，摩擦发电机的材料选择广泛，从高分子聚合物到金属、无机材料、生物材料，都可以设计到摩擦发电机中。这也使其易于实现柔性化，并与智能穿戴设备结合。近来王中林教授还报道了一种可植入与人体收集心脏搏动能量的摩擦发电机，实现对心脏起搏器的供电[14]。

2.4 无线射频

无线能量传输最早于1899年由Nikola Tesla首次尝试成功。如今，无线功率传输主要分为基于电磁感应的近场传输，和基于微波功率传输的远场传输。前者通过线圈实现，后者通过天线实现电磁波的接收。如表1所示，无线射频能量功率密度相对较低，但随着现代社会手机通信、无线广播设施的增加，无线射频能量收集在传感器、智能穿戴设备中的应用前景也越来越好[15]。

3 结论与展望

本文分析了智能穿戴设备发展遇到的能源瓶颈问题，并简要综述了目前的解决技术，包括现有的以锂离子电池和超级电容器为主的能源存储技术、和对工作环境的能源进行收集利用的各种能量收集技术。尽管这些技术目前受到了国际社会的广泛研究并取得了长足的进步，但本文认为下列问题仍需要进一步的深入研究：能量储存设备(电池和超级电容器)的安全性是仍然没有解决的问题，这同时也会限制其柔性化设计；能量收集技术的功率密度都还相对较低，目前还难以实现对智能穿戴电子的持续供电，仍需要与储能技术相结合，提供能量补给，争取实现无需充电的的自给自足的供能系统；各种能量收集技术都具有不同的输出特性，因而各自都需要开发相应能量管理电路，以实现输出功率的最大化；未来的一个趋势是集成多种不同能量收集技术，例如集成太阳能电池和人体热能收集技术，实现全天候的能量收集；小型化、柔性化、以及时尚化设计仍然是各种能量存储技术和能量收集技术的一个挑战。

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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

刘竞雅(1984—)，女，河南省人，工程师，硕士，主要研究方向为薄膜材料。