王中林Small综述：集能量收集和储存于一体的可穿

作者：杨超月

结合ZnO纳米线阵列的压电性质和半导体性质，王中林院士于2006年提出了PENG的概念。2011年，J. Bae等人开始将能量收集器PENG和储能超级电容器集成在一起。此后，便提出了自充电能源系统的概念，并给出了各种SCPS的原型。

1.1基于PENG的SCPSs

1.1.1具有独立单元的SCPSs

图3展示的是由SCPS驱动的无线数据传输的自供电系统，该系统集成了ZnO 纳米线PENG、桥式整流器和电容器。PENG的输出电压为10 V，电流为0.6 μA（功率密度为10 mW/cm-3）。充电后，电容器可以为传感器和射频发射器供电。

图3. 基于PENG的SCPS

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1.1.2集成在一个单元中的SCPSs

如图4a所示，该SCPS是将PENG和LIB(锂离子电池)集成到一个硬币型单元中。该系统中，LIB的隔膜用压电聚偏氟乙烯（PVDF）代替，PENG产生的电能在没有任何外部电路的情况下被转换成化学能储存在LIB中。如图4b所示，A. Ramadoss证实超级电容器也能通过外部机械能充电。

图4 具有共用电极的PENG-based SCPSs

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（a）SCPS的示意图和照片，其中压电PVDF膜用作LIB的隔膜；

（b）SCPS的结构和机理示意图，其中压电PVDF-ZnO膜用作超级电容器的隔膜。

1.2基于TENG的SCPSs

基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，王中林院士于2012年首次提出了可用于机电能量转换的TENG。由于TENG的脉冲式交流输出和机械能输入通常是不稳定的，因此将TENG产生的电能存储在电池或超级电容器中为可穿戴电子设备持续稳定供电是非常必要的。

1.2.1具有分立单元的SCPSs

由于TENG输出的是交流电，因此为在电池、电容器充电之前，需用交流整流器将交流电流转换成直流电。在这个过程中，能量的收集和存储是独立的，通过整流电路连接在一起。

纺织品是制备可穿戴电子产品的理想基底，如图5a所示, X. Pu通过将纺织TENG与柔性LIB结合在一起研制出一种可穿戴的纺织品SCPS。纺织TENG能够将各种人体运动机械能转化为电能，为柔性LIB带充电，进而为心率计提供稳定电源。此后，该团队进一步开发了一种固态纱线对称超级电容器（图5b，5c所示）。该一维纺织超级电容器具有成本低、性能高、质量轻和柔性等优点。

图5. 可纺织的TENG-based SCPSs

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（a）SCPS的照片和充、放电曲线；

（b、c）全纺织SCPS的示意图、等效电路和充、放电曲线。

1.2.2一体化SCPSs

尽管SCPS中的TENG和电池、电容器不能共用电极，但是两者可以共用基底或者被封装在一起。如图6a所示，柔性LIB被置于TENG的顶部，可作为一体化SCPS。如图6b所示，Y. Song等人研制的SCPS具有堆叠的结构（TENG- SC-TENG），施加在SCPS上的压应力直接转换成电能存储在超级电容器中。上述SCPSs中，整流电路与超级电容器、TENG是分开的，而F. Yi等人制作的可拉伸防水SCPS，成功将TENG、超级电容器和整流电路密封在硅胶基体中成为一体化SCPS（图6c）。

图6. 一体化TENG-based SCPSs

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（a）SCPS的示意图和照片，其中LIB被放置在TENG的上衬底之上；

（b）SCPS的示意图，中间的电容器同时用作TENG的电极；

（c）可拉伸、防水SCPS的示意图和照片，超级电容器、整流器和TENG被密封在硅橡胶中。

1.2.3电源管理电路

在TENG和电池/超级电容器集成的SCPS中，尽管TENG和电化学电池自身可以实现高效率能量转化，但是SCPS整体的转化效率尚待提高，因此需要设计适当的电源管理电路使SCPS的能量效率达到最大化。