自供電傳感的案例
Comsol基于摩擦發電原理的自供電運動傳感器仿真 ￥1800
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> <img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/03b6f11d1d224b0e917dfb3107ee9959.gif"> </p><p> 之前在NANO有一篇論文，描述了自供電運動傳感器仿真，采用了摩擦發電的原理：</p><p><span style="color: rgb(102, 102, 102); background-color: transparent;">摩擦納米發電機因其制備簡單,瞬時功率大,成本低等優勢,在環境能量采集和自供電傳感器設計方面具有廣泛的應用前景.為了激發學生對這一前沿領域的興趣和科研熱情,拓寬學生的知識面,該文設計了基于摩擦發電的高靈敏度自供電加速度傳感器.通過選取摩擦靜電序列差異較大的摩擦副材料,提高傳感器的輸出性能.金屬質量塊置于摩擦副的上表面,通過響應環境振動信號來驅動摩擦層進行接觸分離運動,使傳感器輸出與振動信號振幅對應的電信號.實驗結果表明,所研制的傳感器無需外界電源供電,其輸出靈敏度高達20.4 V/(m·s~(–2)),可廣泛用于實驗室物品掉落,傾倒,人體摔倒等振動信號檢測.相關教學實驗提高了學生的科研素養,創新思維和工程實踐能力.
展開 福建農林大學曹石林/馬曉娟/陳禮輝/倪永浩《JMCA》自供電可拉伸水凝膠型離子型皮膚，在極端環境下有效工作
2.3自供電MCP水凝膠傳感器的組裝和應用
MCP水凝膠具有極佳的可拉伸性，類似皮膚的楊氏模量，導電性，抗干燥和抗凍性以及透明性，是可穿戴應變傳感器制造的有希望的候選者。此外，與以前報道的可穿戴傳感器不同，MCP水凝膠可以實現自供電的應變感應。圖5a描繪了自供電基于水凝膠的壓力和應變傳感器的組裝過程。詳細地，將鋅和銅片放在20 wt％MCP水凝膠的上表面和下表面，然后連接到電線。如圖5b和c所示，自供電傳感器可以通過相對電流的變化快速，穩定地響應壓力和應變信號。
圖
5
a）由20 wt％MCP水凝膠組裝而成的自供電壓力和應變傳感器的示意圖。傳感器相對于（b）壓縮和（c）應變的相對電流變化。（d）壓縮和拉伸過程中電阻和電流變化的示意圖。（e）不同角度的手臂彎曲。（f）在
?
24°C時進行壓力感應。（g）自供電傳感器的應變傳感穩定性。
除了實現應變感應之外，水凝膠傳感器還可以在極端環境下為小型電子設備供電。
如圖6a所示，組裝了由8個水凝膠單元組成的自供電離子皮膚，并實現了約4.4 V的最大輸出電壓（圖6b）。離子皮膚可以很容易地為蜂鳴器供電（圖6c）并在-20°C和40°C下點亮LED燈泡（圖6d）。此外，離子皮膚還可以用作自供電運動感應的大面積可穿戴傳感器（圖6e）。以上結果支持這樣的結論，即自供電傳感器可以應用于各種極端和能源匱乏的環境。
圖
6
（a）是使用自供電的MCP水凝膠基皮膚組裝而成的串聯電路的示意圖。（b）開路電壓隨水凝膠單位數量的串聯而變化。（c）離子皮膚激活蜂鳴器。（d）-20°C和40°C的離子皮膚照明小燈泡的照片。（e）自供電離子皮膚的應變感應過程。
【結論】
簡而言之，成功設計并制造了以水果電池為靈感的經濟型自供電水凝膠離子皮膚。
展開 西南交大楊維清Nano Energy：一種基于獨特豇豆結構CPZNs的柔性自供電壓電傳感器
PES在iHMI中的應用
(a) PES檢測握力器握力的照片
(b) 不同握力下PES的短路電流輸出
(c) PES檢測書本開合狀態的照片
(d) 書本在不同開合狀態下PES的短路電流輸出
(e) 人機無線控制系統示意圖
(F) 基于PES的手勢遠程控制的應用
【小結】
研究者通過電紡絲的方法成功地制備了豇豆結構PVDF/ZnO納米纖維，并展示了其作為柔性自供電壓電傳感器用于壓力傳感和彎曲運動監測的應用。所制備的PES在不需要外部電源的情況下既可以在壓力模式也可以在彎曲模式下工作，并具有良好的柔韌性和高靈敏度。通過監測信號的無線傳輸，進一步成功實現了從人類手指到機器人手掌自供電的實時手勢遠程控制系統。更重要的是，PES的優異性能使其很容易地集成到測量系統中，在iHMI的物理信號監測、手勢傳感等應用方面具有巨大的應用潛力。
來源：材料人
展開 今日Nature：納米光柵圖案策略實現自供電超柔性有機光伏
作者的發現為下一代自供電電子產品提供了一個通用平臺。
【圖文導讀】
圖1 :雙光柵圖案化高性能超柔性OPV的設計
圖2 :雙光柵圖案超柔性OPV的機械耐久性
圖3 :超柔性自供電集成器件的設計
圖4 :由自供電超柔性傳感器記錄的心臟信號
【總結】
該文的傳感器系統包括兩個組件:一個由柔性有機電子器件組成的模擬組件，用于檢測生物特征信號；一個由硅制成的數字組件，用于數據傳輸。在這項工作中，作者特別關注模擬組件，它顯示出非常穩定的信號，并由超柔性有機光伏電池供電。因此，自供電模擬和數字組件的組合提供了一種實現獨立、完全自供電、可佩戴傳感器系統的方法。該工作可以從以前報道的超柔性OPVs的發展里程碑的背景來看:在這里，1D雙光柵圖案的高功率單位重量OPVs已經與功能性電子器件相結合來制備自供電共形傳感器，并且解決了剛性OPVs和柔性OPVs之間的PCE差異。作者的方法為超柔性有機電源與功能性電子設備的集成開辟了道路，無需外部電源連接即可精確、靈敏、連續地采集生物信號
文獻鏈接：Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics, (Nature, 2018, DOI: 10.1038/ s41586-018-0536-x)
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大連化物所吳忠帥研究員團隊與劉生忠研究員團隊合作AEM：研制出可打印的微型超級電容器和自供電集成系統
近日，中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊與薄膜硅太陽電池研究組（DNL1606）劉生忠研究員團隊合作，開發出一種水系MXene/PH1000雜化墨水，利用噴墨打印技術高精度、規模化制備出高體積容量的微型超級電容器，并構建出平面全柔性自供電溫度傳感系統。
隨著數字技術的發展，便攜式和可穿戴微型電化學儲能器件不僅需要高的電化學性能，還要求具有柔性、長壽命、可定制形狀以及與微電子兼容集成等特性。將產能、儲能和用能器件集成于一體，構建自供電系統可以解決可再生能源發電間歇性的問題。目前，這類集成微系統大多采用多種制造技術，如光刻、激光切割、電沉積等，不能保證良好的兼容性和低成本。噴墨打印是一種高精度、非接觸、無需掩模板的打印技術，被認為是一種可定制化設計智能柔性電子產品有前景的策略。然而，制備性能穩定、可打印、環境友好的墨水仍具有挑戰。
近日，該合作團隊報道了一種水系MXene/PH1000雜化墨水，具有高電導率、可調的粘度、卓越的打印性及長期穩定性，可同時作為高電容電極、高導電集流體、無金屬連接線和導電粘合劑。噴墨打印的微型超級電容器具有754 F/cm3的高體積電容量，5.4 V/cm2的高面電壓，60個串聯的無金屬集流體和連接線的微型超級電容器可以輸出高達36 V的電壓。此外，合作團隊還在柔性襯底上打印微型超級電容器與溫度傳感器，同時與柔性硅薄膜太陽電池集成，構建了全柔性自供電溫度傳感集成系統，實現了對溫度變化的即時監測。該水系MXene雜化墨水為構建可打印的自供電微系統開辟了新的途徑。
展開 中科院納米能源所蒲雄研究員、王中林院士團隊ACS Nano：通過水凝膠-介電彈性體界面處的動態雙電層實現發電和自供電傳感
近來，中科院納米能源所蒲雄研究員和王中林院士課題組設計并制備了基于水凝膠-介電聚合物間動態界面的發電器件，實現了機械-電能的轉換，并基于此構建了用于監測人體運動的自驅動柔性力敏傳感器。該器件工作原理為：首先，水凝膠與介電聚合物之間的接觸起電可以使介電聚合物表面帶電，并在水凝膠與介電聚合物間界面形成雙電層；然后，金字塔形水凝膠的周期性機械變形導致雙電層面積和電容的周期性變化，從而在外部電路中感應出交流電（圖1a）。該工作認為水凝膠-介電聚合物界面的雙電層是通過界面接觸起電和異號電荷靜電吸引兩步形成的，而界面的接觸起電是主要基于水分子與介電聚合物間的電子轉移（圖2）。利用這種基于動態雙電層的機電轉換機制，該工作構建了可拉伸的自驅動壓力傳感器（圖3）。進一步地，通過增加介電彈性體聚合物的表面粗糙度，提高了傳感靈敏度，在 31-300 Pa 的低應力范圍內，靈敏度可以達到 1.40 kPa-1；最后，該工作示意了利用此傳感器檢測人體機械運動和生理信號（圖4）。這種機電能量轉換器件和相應的自驅動傳感器有望廣泛應用于未來的柔性電子器件。該工作以“Electricity Generation and Self-Powered Sensing Enabled by Dynamic Electric Double Layer at Hydrogel-Dielectric Elastomer Interfaces” 為題發表在《ACS Nano》上。文章的第一作者是中科院納米能源所碩士生賈璐瑤。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
圖1. 水凝膠-介電聚合物界面處動態雙電層發電。
圖2. 水凝膠與介電聚合物的接觸起電機理及優化。
圖3.
展開 一種基于隔熱紡織品(TI-textile)的TENG (TI-TENG)
由于大多數電子可穿戴設備是由傳統電池供電的，它們不具有可持續性，并且不方便在戶外充電/維護。開發具有自供電傳感器的戶外可穿戴設備對于解決廢棄電池的不可持續性和潛在的環境污染問題非常重要。
在物聯網時代，摩擦納米發電機(TENG)將周圍隨機、無序、低頻的機械能轉化為電能，被認為是解決能源供應問題的極具前景的技術一些極端情況或環境中的問題。在TENG的輔助下，自供電的戶外可穿戴監控系統可以實現并易于使用，這對于戶外愛好者從事長期徒步旅行或體育活動是非常必要的。在過去的幾年里，科學家們一直在努力提高TENG的輸出性能。
在已報道的可穿戴式TENG中，紡織式TENG可方便地用于人體運動監測和供電，其靈活性、適用性、透氣性、可負擔性和可規模化生產等優點越來越受到人們的關注。戶外服裝可以保護人體抵御寒風，但它們的重量和厚度通常會導致長時間戶外活動不舒服。因此，在降低功能性戶外服裝的重量/厚度的同時，提高其保溫性能是十分重要的。到目前為止，關于這一點的功能性戶外服裝的研究還很缺乏，特別是結合紡織品TENG的具有能量收集能力和交互性應用的智能戶外服裝。
02
成果掠影
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和孫其君研究員團隊展示了一種基于隔熱紡織品(TI-textile)的TENG (TI-TENG)，它由多個功能層組成，包括關鍵的摩擦電氣化層、鍍銀尼龍電極、防風外層紡織品和內層紡織品襯里。通過材料改性和結構優化可以提高TI-TENG的摩擦輸出性能。制備的TI-TENG被證明具有多功能(例如，隔熱和抗菌性能)和智能(例如，傳感和能量收集功能)。此外，利用TI-TENG作為自供電可穿戴傳感器和人機交互界面，開發了一種智能人體運動監測和戶外無線信號傳輸系統，可在戶外活動中一鍵呼叫緊急救援。
展開 復旦《Adv Mater Tech》：可修復的智能自供電仿生皮膚！
，它可以模擬神經遞質的釋放和接收機制利用陰離子選擇性凝膠和陽離子選擇性凝膠控制可交換性陰離子和陽離子產生跨膜電位、靜息電流和動作電流，這種智能可修復的自供電仿生皮膚片段可以保證下一代神經集成軟體工程系統的同步信號傳輸。
東南大學葛麗芹教授/劉玲教授《Small》：運動驅動的層層自組裝“修理器”用于自供電刺激內源性傷口愈合及生理環境響應性抗炎
但是目前便攜式醫用傳感器件通常由外置電源或可充電電池供電，具有使用壽命有限、充放電效率低、存在潛在的二次污染等缺點。
近日，東南大學生物科學與醫學工程學院葛麗芹教授課題組和中大醫院重癥醫學科劉玲教授合作，設計具備環境友好型-可持續供電和有效清除ROS能力的新型智能醫療器械加快傷口愈合。該研究通過層層自組裝方法制備出了一種人體運動驅動的自供電納米復合“修理器”，用于電刺激內源性傷口愈合及生理環境響應性清除活性氧，緩解體內炎癥反應（ToC圖）。與傳統的被動治療方式相比，這種模式提供了一種集運動信號轉化為電信號和pH響應性層層自組裝薄膜于一體的有效愈合創面的新策略，無疑為患者帶了福音。
ToC 圖 運動驅動的層層自組裝“修理器”，用于自供電刺激內源性傷口愈合及生理環境響應性抗炎的相關機制。
圖 1 生物力學運動驅動自供電LBL納米復合“修理器”用于傷口愈合。（a） HAP/SN是由多層薄膜（HAP）和自供電納米發電機（SN）組成的；（b）受傷人員行走時佩戴HAP/SN醫療器件，插圖：自供電刺激和納米顆粒的響應性釋放協同促進受損組織的有效愈合示意圖；（c） SN 系統在運動的激活下電刺激使受損皮膚康復；（d）HAP層層自組裝薄膜用于pH-響應性清除ROS使成纖維細胞恢復到正常的生長狀態。
在這項工作中，該課題組致力于設計一種基于摩擦電納米發電機和治療性納米顆粒響應性釋放模型的便攜式自供電納米復合傷口“修理器”。
展開 上海交大楊斌《ACS Nano》:真正意義上的自供電心臟起搏器！
上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系教師楊斌及合作者在美國化學會國際著名期刊ACS Nano（影響因子為13.709）在線發表了題為《Direct Powering a Real Cardiac Pacemaker by Natural Energy of a Heartbeat》的論文。
自供能心臟起搏器設計圖
心臟起搏器是一種臨床上最為常見的輔助心功能的植入式醫療電子治療器件，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，通過導線電極的傳導，刺激電極所接觸的心肌，使心臟激動和收縮，從而達到治療由于某些心律失常、心力不足等所致的心臟功能障礙的目的。值得注意的是，所有的這些植入式心臟起搏器都是帶有一塊內置電池，目前主要采用高能量密度的鋰離子電池作為能量的供應來源。然而，由于內置電池所存儲的電量是固定的，起搏器的使用壽命也必然是有限，一般5-12年，周期性地進行起搏器更換手術是起搏器植入患者目前無法避免的，這種周期性更換術大大增加了高發病率患者的健康風險，也會給患者帶來巨大的經濟負擔，甚至增加了潛在的死亡率。另外，為了保障起搏器有足夠的能量維持正常的使用壽命，起搏器在功能完善和小型化等方面的發展也受到了極大制約。半個多世紀以來，能源供給成為起搏器壽命的直接因素，也是發展到今天所面臨的最大限制性因素。通過能量采集技術轉化體內本身豐富的生物化學能、機械能等為起搏器供能成為一種醫療器件可持續供能的重要解決方案而得到廣泛研究。無電池的自供能心臟起搏器也成為心臟起搏器重要發展趨勢。
入式能量采集器供能于心臟起搏器
該研究基于塊體壓電陶瓷的高性能壓電效應，通過化學機械拋光技術對塊體壓電陶瓷材料進行厚度方向上的微尺度加工控制，使得脆性的壓電陶瓷在薄膜化后能很好的適應襯底的柔性變形，并保持著塊體的高性能壓電系數，進而為制備高輸出性能的植入式壓電能量采集器提供了關鍵材料基礎
展開 《AM》 溶液處理可拉伸Ag2S半導體薄膜，用于可穿戴式自供電非易失性存儲器
圖5
可穿戴式，自供電的基于
Ag2S薄膜的RRAM，用于醫療監護系統。
a）顯示基于Ag
2
S的柔性/可拉伸RRAM系統的示意圖和照片。b）示意圖，顯示面板的相應設備組成。c）來自摩擦電傳感器的開路電壓，以及d）在三種不同的測量條件（行走，震顫和跌落）下電容器中的充電電壓。e）照片顯示具有4×4像素的自供電Ag
2
S RRAM系統單元矩陣。f）示意圖，顯示了細胞基質的相應器件組成。g）沿字母“ N”的路徑施加機械壓力后的相關電流映射。h）字母“ N”的施加機械壓力路
徑的圖示。
參考文獻
：
doi.org/10.1002/adma.202100066
版權聲明：「
高分子材料科學
」是由專業博士（后）創辦的公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
展開 
鄭州大學橡塑模具團隊《Nano Energy》：在超臨界二氧化碳發泡（scCO2）技術制備高性能摩擦納米發電機方面取得進展
此外，制備的柔性摩擦納米發電機具備優異的摩擦電性能和自供電傳感性能。能夠為電容器充電，自發點亮LEDs，驅動計算器等小型電子器件；還能夠檢測諸如拉伸、彎曲、扭轉等變形，以及監測人行走步態的變化等。
圖2.發泡材料基摩擦納米發電機摩擦電性能和自供電傳感性能。
該研究通過超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發泡法制備了可用做摩擦發電機正電極的性能優異的TPU多孔薄膜，為批量化制備高性能TENG提供了一種綠色、高效的新方法，并為設計具有互補結構的摩擦材料，提供了新見解。該研究得到了國家自然科學基金（12072325）和國家重點研究計劃（2019YFA0706802）的資助。
展開 中科院納米能源所李舟團隊和中南大學李宇晟合作《ACS Nano》：用于肌肉功能評估的可拉伸、自愈和、皮膚自粘附的主動式傳感器
近日，北京納米能源與系統研究所李舟研究員團隊聯合中南大學李宇晟副教授提出了一種基于TENG原理的可拉伸、自愈合和皮膚自粘附的主動式傳感器（TSAS），用于對參與肌肉訓練的多個肌肉群功能的同時、準確評估。為克服傳統金屬電極的脆性問題，設計制備了一種可拉伸，自愈合離子凝膠，并將其作為TSAS的電極層。以全柔性的硅膠，VHB和parylene-C分別作為摩擦層和封裝層，TSAS具有與肌肉組織相匹配的楊氏模量及皮膚粘附能力。經優化后的TSAS具有出色的電壓輸出和傳感特性，可實現0.2 mN的最小檢出限（相當于一粒米的重量），毫秒范圍內的快速響應時間，超過10萬次的循環穩定性及經過10次極端損傷/愈合過程后的穩定輸出。在手臂肌肉訓練中，TSAS可以同時定量獲取肱二頭肌、肱三頭肌以及手肘關節彎曲靈活度的功能信號。通過裝配藍牙傳輸模塊，肌肉功能信號可被實時傳輸到可視化終端，幫助臨床醫生對病人的肌肉功能進行在線分析和指導。
圖1. TSAS用于肌肉功能評估
（a）TSAS可以貼附在全身的肌肉上，用于實時肌肉功能監測。（b）TSAS貼附在肱二頭肌上。（c）TSAS的尺寸為3×5 cm2。（d）TSAS的材料和結構組成。（e）硅膠膜上微結構的SEM照片，標尺：300 μm。（f）自愈合電極的光學照片。標尺：1 cm。
圖2. TSAS用于實測肌肉功能
(a)在一組手臂動作中，TSAS的工作原理。（b）在無/有負載情況下，TSAS用于肌肉功能檢測。（c）有/無負載狀態下，用于監測肱二頭肌，肱三頭肌和手肘彎曲角度的TSAS的輸出電壓波形。
展開 柔性紙基集成器件研究取得進展！
柔性傳感器可穿戴或植入人體，并可檢測周圍環境信息，在醫療健康領域受到廣泛關注。然而，作為用電器件的傳感器自身并不能獨立工作，需要電源為其供電。平面型微型超級電容器（MSC）作為新型的微型電化學儲能器件易與傳感器或其它電子器件進行有效集成。一般的方法是將傳感器與電源通過外接導線連接，但在柔性可穿戴技術中引起不便。如何將柔性和無線電源與傳感器集成到同一芯片，是當前研究所面臨的挑戰。
紙質材料成本低、可即用即棄，并具有多孔和粗糙的纖維結構，可以增強其與電子器件的結合力。由于纖維素孔隙引起的毛細作用使通過印刷技術印刷的墨水材料在紙基表面擴散，導致形成的圖案質量較差。
紙基自供電傳感器的集成示意圖與實物圖
中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌團隊通過絲網印刷技術，在濾紙表面形成金屬Ni叉指化集流體，并結合后續的電鍍技術增強集流體的導電性，并抑制金屬Ni在紙基表面的擴散，形成了分辨率較高的圖案化集流體。在Ni表面通過電化學沉積MnO2或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝膠電解質，形成了基于MnO2的對稱性超級電容器，以及基于MnO2和PPy的非對稱超級電容器。經過測試，表明該紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次后容量幾乎沒有衰退），其能量密度和功率密度皆位于同類型超級電容器的前列。
基于在紙面印刷的金屬集成電路，研究人員將MSC和紫外傳感器或氣體傳感器集成到同一單片紙上，集成器件顯示出良好的傳感特性和自供電特性。未來有望將能量采集、能量存儲和用電器件集成到同一紙基芯片。這種基于紙質基底的集成策略為便攜式和可穿戴電子開拓了新的設計方法。
展開 湖南工業大學在商用織物摩擦納米發電方面取得進展
圖2 織物基摩擦納米發電機水洗測試（a,b,c）及摩擦發電性能（d-i）
研制的織物基摩擦納米發電機具備優異的壓力傳感性能，并能夠簡易地與織物集成實現觸覺傳感。研究還制備了適于冬天使用的手套界面，展現了織物基摩擦納米發電機在人機界面應用中的巨大潛力。
圖3 織物基摩擦納米發電機傳感性能
本研究為提升織物基摩擦納米發電機輸出性能提供了新的思路，并為織物基摩擦摩擦納米發電機和自供電傳感器的設計開辟了一條新的途徑。該工作以“Enhancing the Performance of Fabric-Based Triboelectric Nanogenerators by Structural and Chemical Modification”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.1c02815），湖南工業大學經鑫教授和鄭州大學米皓陽教授為文章共同通訊作者，湖南工業大學博士研究生馮培勇為文章第一作者。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c02815
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