超柔性能量收集及储存系统助力可穿戴技术发展

可穿戴设备的进步高度依赖于柔性能源器件的发展，这些器件需提供高效率、耐用性和持续的电力输出，同时能够轻松集成。目前，商业可穿戴设备普遍依赖硬质电池供电，不仅增加了系统刚性，限制了其机械顺应性，还需频繁充电或更换电池。因此，需要研发一种集成了能量收集与存储的柔性系统。

近日，清华大学深圳国际研究生院副教授徐晓敏、周光敏团队提出了厚度仅90微米的超柔性能量收集-储存一体化系统（FEHSS），该系统由超柔性高性能有机光伏组件与超薄锌离子电池集成，为新一代可穿戴绿色能源设备的开发提供了新思路。相关研究成果发表于《自然—通讯》。

该研究中，超柔性有机光伏组件的单个器件光电转换效率达16.18%，黑暗惰性环境中超1500小时保持光电转换效率原始值的80%，在每平方厘米50毫瓦的光强下连续照明500小时后，光电转换效率保持初始值92%以上的高性能。

基于超柔性有机光伏单元，研究团队设计出可调功率输出的高性能有机光伏组件。以有效面积6.72平方厘米的组件为例，总光电转换效率达10.5%，峰值功率超68.9毫瓦，单位面积功率输出达每平方厘米10.2毫瓦。此外，超柔性有机光伏组件在不同光照强度下具备高效的功率输出及优异的机械强度。

超薄锌离子电池由锌阴极、二氧化锰-石墨阳极和超薄水凝胶电解质组成。团队开发了10微米厚度的超薄聚乙烯醇-氧化石墨烯水凝胶，具有优越的机械顺应性，且超薄特性弥补了微小容量损失。基于10微米超薄水凝胶电解质构建的超薄锌离子电池，总厚度仅为85微米，具备良好的倍率性能和循环稳定性。

研究人员提出的FEHSS由超柔性有机光伏组件、超柔性有机光电二极管与超薄锌离子电池组成，三个超薄锌离子电池串联实现输出电压5.4伏特，光照充电具有可媲美传统电源的充放电循环特性。

此外，FEHSS可以在自然环境下驱动多种电子设备，例如，集成于织物上可驱心电信号采集并实时传输至手机终端，助力健康管理；可在不干扰用户活动的情况下为智能手机、手表充电，是新型的户外绿色能源方案。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50894-w

皮肤上的FEHSS在户外为智能手机充电的模拟场景 科研团队供图