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为解决可穿戴设备能源供应问题，保加利亚索菲亚技术大学的研究人员开展能量收集器与超级电容器集成研究。结果显示该集成设备性能优异，此研究为可穿戴电子领域供能提供新方案，值得科研读者一读。
在如今这个科技飞速发展的时代，能源问题始终是人们关注的焦点。随着各种便携式设备、可穿戴设备的普及，如何为这些设备提供稳定、高效的能源，成为了科研人员们努力攻克的难题。
目前，能源收集和存储技术的整合虽然已经成为了一个热门研究方向，但其中仍存在不少问题。在大多数相关研究中，关注点多集中在智能窗户用的太阳能电池和电致变色电池等宏观应用上，对于便携式设备的能源研究，主要聚焦于太阳能。可太阳能的获取受环境限制较大，比如在阴暗天气或者室内环境下，就难以稳定供电。而且，对于像无人机、植入式生物传感器这类特殊设备，现有的能源供应方案并不完善。无人机常常被部署在偏远或危险地区，植入式生物传感器又很难进行电池维护，它们急需一种能从自然环境或人体自身获取能量的自维持能源系统。
同时，在能源存储方面，薄膜电池虽然潜力巨大，但离子运输等问题限制了其性能优化。在可穿戴设备的能源获取中，传统压电材料如陶瓷，因其脆性和低柔韧性，无法很好地满足可穿戴设备的需求。而在将超级电容器与能量收集器集成时，材料选择和设计也面临挑战，例如 MXenes 虽然有很多优点，但纳米片的不可预测重堆限制了其在某些应用中的使用。并且，目前市场上的薄膜压电式能量收集器和超级电容器也存在不足，前者常使用较厚的含铅材料，后者的赝电容电荷存储机制会导致电压降和较高的等效串联电阻。
为了解决这些问题，来自保加利亚索菲亚技术大学的 Mariya Aleksandrova 和 Ivaylo Pandiev 在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为 “Synergistic integration of energy harvesters and supercapacitors for enhanced performance” 的论文。他们通过一系列研究，成功制备出一种集成压电式能量收集器和超级电容器的柔性设备，为可穿戴生物传感器供电提供了新的解决方案，这对于推动可穿戴设备能源技术的发展具有重要意义。
在这项研究中，研究人员用到了几个关键技术方法。首先是材料的选择与处理，他们选用了多种材料，如以聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）箔为基底，银纳米颗粒墨水作为底部电极，聚偏氟乙烯 - 三氟乙烯（PVDF - TrFE）基压电墨水用于能量收集部分，并添加多壁碳纳米管（MWCNT）增强性能等。其次是采用层叠式设计和喷雾涂覆技术来制备样品，通过这种方式构建了包含多个功能层的复合结构。最后，他们开发了一种独特的电源管理系统，用于实现交流电到直流电的转换和升压，以确保能量的高效收集和存储。
下面我们来看看具体的研究结果。
3.1 电源管理电路配置
研究人员设计了一种电源管理系统，用于转换和升压输入的交流电压。这个系统主要由电压倍增整流器和微功率直流 - 直流转换电路组成。
3.1.1 电压倍增整流器
由于压电元件产生的交流电压幅值可能不足以直接应用于直流 - 直流转换器，所以研究人员采用了电压倍增整流器。这个电路使用了两个肖特基二极管（D?和 D?）和两个电容器（C?和 CRECT）。在工作过程中，在等效电压源极性的前半个周期，电容器 C?通过 D?充电至输入电压幅值；在后半个周期，电容器 CRECT 与 C?一起充电，最终输出电压约为输入电压幅值的两倍。这样就有效地提高了电压，为后续的电路提供了合适的输入。
3.1.2 微功率直流 - 直流转换电路
为了稳定整流后的电压，研究人员选择了 ADP5090 单片集成电路作为微功率直流 - 直流转换电路。它能在较宽的输入电压范围内工作，并且具有低静态电流消耗和高电能效率的特点。研究人员还使用了四个低功率超级电容器和一个备份电池，以确保设备在不同情况下都能稳定运行。在输入电压较低时，备份电池可以提供能量，保证设备的连续运行；在输入电压满足要求时，超级电容器则可以高效地存储和释放能量。
3.2 器件表征
研究人员对制备的压电 - 超级电容器集成器件进行了全面的性能测试。
3.2.1 压电元件性能
压电元件在 10 - 110
的质量负载范围内表现出最佳性能，能承受超过 5000 次弯曲循环而不退化。在这个负载范围内，它可以产生 1 - 2V 的电压输出和 800μA - 1.2mA 的电流，产生的电功率在 800μW - 2.4mW 之间，这足以满足低功率可穿戴生物传感器的供电需求。而且，随着负载增加，电功率还能进一步提高，这表明该器件在不同应用场景下具有很好的适应性。
3.2.2 超级电容器性能
通过对不同厚度氧化铝（
）薄膜的超级电容器进行研究，发现 750nm 厚的
薄膜表现更优。从微观结构上看，750nm 厚的薄膜孔隙率更高，比 400nm 厚的薄膜孔隙率高 6%，这为电荷积累和存储提供了更大的表面积。在充电性能方面，750nm 厚的超级电容器充电时间仅为 6s，而 400nm 厚的则需要 310s，并且 750nm 厚的超级电容器能达到更高的电压，平均充电电压为 1.94V，而 400nm 厚的仅为 275mV。在充放电循环稳定性上，750nm 厚的超级电容器能承受高达 15500 次循环，400nm 厚的则只能承受 4500 次循环。在保持电容方面，750nm 厚的超级电容器能保持稳定的 1.63mF，而 400nm 厚的虽然初始平均保持电容较高，但变化较大。在机械稳定性测试中，经过 1000 次弯曲后，400nm 厚的器件电容下降 7%，750nm 厚的器件电容下降约 9%，两者都展现出了良好的机械稳定性，这得益于石墨烯的增强作用，有效防止了各层之间的分层。
综合上述研究结果，我们可以得出以下结论。在能量收集和存储系统中，电源管理装置对于减少能量损失至关重要。研究人员通过独特的材料组合和集成方法，成功制备出了性能优异的柔性混合能源系统。其中，氧化铝作为导电电极之间的绝缘层，凭借其良好的机械强度和高介电常数，有效提升了柔性设备中超级电容器的稳定性和性能。采用的超声喷雾沉积和图案化等制备方法，使得材料分布更加均匀，界面工程更好，减少了能量转换和传输过程中的损失。并且，研究发现较厚的
薄膜能使超级电容器性能更稳定，而较薄的薄膜则存在诸多性能限制，如较低的电荷存储表面积、较高的内部电阻、较弱的介电强度等。
这项研究的意义重大。它为可穿戴设备的能源供应提供了一种新的、更高效的解决方案，有望推动可穿戴电子设备、可持续能源解决方案以及多功能能源设备领域的发展。这种跨材料科学、能源转换和器件工程等多学科的研究，为未来实现自给自足、高效的能源技术创新开辟了道路。不过，研究人员也指出，未来还需要进一步优化技术，解决目前该元件存在的单极电源供应问题，并且将电源管理电路集成到柔性印刷电路板上，以实现更完整、更高效的一体化设备。相信在科研人员的不断努力下，未来的能源技术会取得更大的突破，为人们的生活带来更多便利。
