可穿戴電子器件的案例
清華大學張瑩瑩AM: 一篇綜述帶你領略柔性可穿戴電子器件中碳材料的風采
主要圍繞納米碳材料和絲蛋白材料的制備科學、物理與化學性能開展研究，重點發展面向柔性可穿戴系統的新型電子材料與器件。
納米能源所：用于可穿戴電子器件的自愈合固態聚合物電解質！
此外，固態聚合物電解質中的超分子框架還可以使鋰金屬電池具有靈活性，能應用于可穿戴電子設備。
本文中，作者通過動態交聯亞胺鍵設計并合成了用于柔性固態鋰金屬電池的一種新的聚環氧乙烷基自愈合固態聚合物電解質，這種自愈合固態聚合物電解質具有良好的自愈合能力、優異的力學性能和電化學特性，基于可逆亞胺鍵的動態共價聚合物網絡，通過降低聚合物結晶度顯著改善自愈合固態聚合物電解質的離子導電性，并賦予電解質強粘附性，這有利于電解質與電極之間的有效接觸。所制備的自愈合固態聚合物電解質在25°C下的離子電導率高達7.48×10?4，電化學窗口較寬，極限拉伸應變達到524%，此外，這種電解質材料可以自發地恢復其結構和功能，而無需額外的外部處理。組裝的Li|SHSPE|LiFePO4電池在室溫下具有極好的循環穩定性，循環300周后比容量超過126.4mAh g?1。基于這種特殊的自愈合固態聚合物電解質的相應固態鋰金屬電池在室溫下具有穩定的循環性能，在可穿戴電子器件中具有廣闊的應用前景。
展開 西南交大楊維清教授等Small：導電聚合物墨水——助力可穿戴儲能器件的大規模制造
器件的循環穩定性良好，在10 mA/cm2的充放電電流下循環10000次后，容量保持率為77.1%。力學穩定性測試表明可印刷MSCs能夠在復雜的應力環境下穩定工作（器件在0-180度的彎曲范圍內能夠保持性能穩定，且連續彎曲2000周次后未出現容量衰減）。集成測試表明可印刷MSCs的性能均一，可集成性良好，能夠滿足不同場景下可穿戴電子器件的能量需求。
圖3. 基于導電聚合物墨水的微型超級電容器及其電化學性能。
圖4. 微型超級電容器的可集成特性以及可穿戴應用展示。
西南交通大學材料學院博士生儲翔為論文的第一作者，西南交通大學材料學院楊維清教授、張海濤副教授，美國加州大學洛杉磯分校陳俊教授為本文的共同通訊作者。
展開 西交大Advanced Materials：電場可調低功耗可穿戴自旋電子器件
【引言】
生物與數字世界之間的無縫連接已經成為未來電子技術發展的必然趨勢。柔性電子器件因其所具備的柔韌性，便攜性，可穿戴性，已經成為發展功能器件的尖端領域。然而柔性自旋電子器件的研究卻仍然局限于其磁性調控方式，因為傳統的磁鐵調控方式具有體積龐大、高功耗、高熱量、響應慢等缺點，嚴重制約了柔性自旋器件的實際應用。
【成果簡介】
近日，西安交通大學電信學院“青年千人”劉明教授課題組研究了基于電場調控的柔性自旋電子器件，并實現了磁疇翻轉的可視化觀測。該成果首次嘗試將磁電耦合效應從平面研究推廣到柔性曲面研究，很好地填補了柔性自旋電子領域磁電復合技術的空白，具有突破性的意義。柔性基底上電場可控的反鐵磁-鐵磁轉變迎合了當前磁性器件的功能需求，因而該成果將為新一代可穿戴，低功耗，快響應，易集成柔性電子元器件的制備與研發打下堅實基礎。
【圖文導讀】
圖1不同基底的(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2人工反鐵磁實物圖片及其基本磁性表征
(a)Kapton (I)和云母上(II)呈彎曲態的(Pt 9 ?/ Co 7.5 ?)2 / Ru (0.95nm)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)2 / Ta(3.5nm)人工反鐵磁。 右圖III顯示的是離子膠(IG)； (b)和(c)是(Pt / Co)2 / Ru /(Co / Pt)2 / Ta / Mica人工反鐵磁的磁滯回線Ru厚度依賴特性； (d-i)在極性MOKE模式下觀察到的(Pt 9 ? / Co 7.5 ?)2 / Ru(10.3 ?)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)2 / Ta(3.5nm)/Mica結構的垂直動態磁化反轉。
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東華大學葉長懷/廖耀祖ACS AMI：基于生物可再生原料制備高電導率水性導電油墨用于電磁屏蔽、焦耳加熱和應變傳感
導電油墨主要由導電粒子（如金屬或碳基顆粒）和溶劑介質組成，作為柔性電子和可穿戴電子器件的一種重要基礎原料，已被報道廣泛用于能量存儲、電磁 屏蔽、焦耳加熱等領域。然而，傳統導電油墨往往存在與基底結合力弱、導電粒子分散需要使用大量有機溶劑、電導率不夠高等問題，限制了其在很多領域的進一步應用。
近日，東華大學朱美芳院士團隊葉長懷、廖耀祖研究員基于生物可再生原料殼聚糖（chitosan）與二元酸在水中形成生物基有機鹽溶液，與銀納米線復合制備了一系列超高電導率的水性導電墨水（圖1），為綠色制備高電導率、高耐久性導電復合涂層提供了一種通用方法。
圖 1 SA-chitosan生物基有機鹽、導電墨水、導電涂層的制備流程圖
水性的生物基SA-chitosan有機鹽涂層在簡單的加熱后形成高度交聯的網絡結構，賦予導電復合涂層良好的耐熱和耐溶劑性，使其有望在惡劣環境中使用。導電粒子AgNW 嵌入高度交聯的SA-chitosan聚合物基體中，該聚合物基體一方面隔絕導電粒子與外界環境的接觸減緩AgNW的氧化（圖2），另一方面可增強與基底材料的粘附力，如在反復剝離試驗后仍保持優異的電導率（圖3）。
圖 2. 導電復合涂層的電導率及耐高溫、耐有機溶劑特性
圖 3. 導電涂層抗反復彎曲、折疊、剝離特性
由于導電復合涂層超高的電導率，厚度僅為 10 μm 的 SA-chitosan/AgNWs 涂層具有 高達73.3 dB 電磁屏蔽 (EMI) 效能（圖4）。
展開 《Science》子刊：給可穿戴電子供能—柔軟、可延展的微型熱電“彈簧”
基于有限元的器件熱、力學設計
為了充分發揮此類熱電彈簧的優勢，研究者使用有限元軟件ABAQUS對其進行了建模與優化。通過耦合的熱學、力學模擬計算，研究者發現，對于此類熱電彈簧來說，一種全新的“梯形”構型更利于在保證其力學的魯棒性的同時發揮其熱學性能。這種“梯形”構型的底部寬度較小，但頂端寬度是底部的兩倍，這樣的設計更利于熱電彈簧的有效散熱，從而提高其換熱效率。與此同時，結構中的“三明治”構型將脆弱易碎的單晶硅放置于被兩層聚合物的保護層之中，從而保證了其力學上的柔性。
可擴展性、熱電轉換性能及展望
這項新技術基于傳統半導體工藝，因此這些熱電彈簧可以在不增加制備步驟的情況下輕松地被復制、擴展成為大規模陣列。圖3展示了8 × 8的熱電彈簧陣列，以及它貼在人體表面的照片。該陣列的熱電轉換性能測試如圖4a所示，在19攝氏度的溫差下，器件的最大輸出功率約為2納瓦，開路電壓達到51.3毫伏，溫降達到6.2攝氏度（接近理論最優值9.5攝氏度，優于任何已有的二維微型熱電發電器設計）。如果將單晶硅換成其他更優秀的熱電薄膜材料，這些性能可以被進一步提高。如圖4b所示，在常溫下，單晶硅的熱電優值僅為0.001，屬于較差的熱電材料。若替換為熱電優值超過1的Bi2Te3-Sb2Te3無機薄膜材料，計算結果顯示相同的8 × 8陣列可以輸出超過10微瓦的功率——已經足夠給可穿戴微電子、傳感器供電。
圖3：三維微型熱電“彈簧”的8 × 8陣列（左），以及該陣列貼在皮膚表面的示意圖（右）。其局部放大圖（中上）與有限元模擬生成的三維仿真結果（中下）高度一致。
展開 可穿戴｜劍橋大學開發新型電子織物，可被制成電視功能窗簾或智能衣物
研究人員基于此方案，使用纖維編織了一些電子組件，其可靠性和耐用性得到了整體提高。最后，他們還使用導電粘合劑和激光焊接技術將多個光纖組件連接在了一起。
結合這些技術，研究人員最終通過現有成熟的、可擴展的紡織品制造工藝將多種功能模塊整合到一塊大尺寸的智能織物上。
由此技術制造的智能織物可以用作顯示器、監控各種輸入或存儲能量以備后用。該織物可以檢測射頻、觸摸、光線和溫度信號。它也可以卷起來，因為它是使用現有成熟紡織工藝制造的。可以想象，未來我們可以用這種方式制造大尺寸可卷起的功能性織物。
研究人員表示，他們的這種織物顯示器原型為下一代電子紡織品應用鋪平了道路，應用領域包括可以產生和儲存自身能源的智能和節能建筑、物聯網 (IoT)、分布式傳感器網絡和交互式顯示器等領域。
“我們的這種方法建立在微納米技術、顯示器、傳感器、能源技術和現有紡織制造工藝的融合之上，”劍橋大學工程系與Luigi Occhipinti博士以及Manish Chhowalla教授共同領導這項研究的Jong min Kim教授說道，“這是我們朝著在日常應用中充分利用可持續、便捷電子纖維和電子紡織品方向邁出的重要一步，而且這也僅僅是個開始。”
“通過集成基于光纖的電子、光子、傳感和能源功能，我們可以設計和制造出全新類別的智能設備和系統，”同樣來自劍橋大學工程系的Occhipinti博士說，“通過釋放紡織品制造的全部潛力，我們很快就會看到自供電物聯網設備無縫集成到日常物品和許多其他行業應用中。”
目前，這些研究人員正在與歐洲的一些合作者展開合作，以期望將該技術用到人們日常接觸的生活物品上。另外，他們還有一個研究方向——將一些可持續材料整合為纖維，進而提供一種新型能源紡織系統。
展開 大連化物所史全研究員團隊CEJ：研發出柔性復合相變材料膜并應用于可穿戴光-熱管理器件
近日，中科院大連化物所熱化學研究組（DNL1903）史全研究員團隊在柔性相變材料研究方面取得新進展，通過簡單易行的策略合成了石墨烯基的復合相變材料膜，并將其應用于可穿戴的光-熱管理器件。該復合相變材料膜具有優異的柔韌性、儲熱能力、光熱轉化能力，為智能可穿戴光-熱管理器件的研究提供了新思路。
相變儲能材料能夠在相對恒定的溫度下吸收和釋放大量相變潛熱，目前廣泛應用于熱能儲存和溫度控制的熱管理領域。然而，傳統相變材料本身固有的液態泄漏、弱吸光能力以及固態剛性使其在可穿戴的智能光-熱轉化器件研究中極具挑戰性。
針對該問題，史全研究員團隊以聚合物和石墨烯為原料合成了具有優異柔韌性的復合石墨烯膜，并將相變材料復合其中得到柔性的復合相變材料膜。該復合相變材料膜具有優秀的形狀穩定性，即使在高于相變溫度時仍然保持固態而不發生泄漏；同時，該復合相變材料膜具有高相變材料負載量，表現出優異的儲熱能力，即使經過500個熱循環和彎曲循環仍然保持穩定；此外，該復合相變材料膜具有出色的光-熱轉化能力，可迅速將太陽能轉化為熱能儲存，轉化效率最高可達96%。研究人員進一步將該復合相變材料膜貼到人體模型表面，結果表明在彎曲狀態其仍然表現出穩定的光-熱轉化性能。該復合相變材料膜表現出可應用于人體可穿戴光-熱管理領域的潛力，為可穿戴智能織物的開發提供了新的方向。
展開 用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
張楊
仿真xiu專欄作者
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
展開 用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
作者 ：張楊 流體高級工程師 仿真秀專欄作者
來源：仿真秀公眾號（ID:fangzhenxiu2018）
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
一、散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
圖2 散熱翅片的兩種處理方式
圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網格情況）
圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結果）
通過測試算例可知，采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果，要遠遠強于實體建模的情況（差別在4-5K左右）。
展開 噴墨打印碳量子點/氧化石墨烯混合墨水制備紙基全固態柔性超級電容器
可穿戴電子器件要求使用的材料重量盡量輕。目前常用的能量存儲器件主要使用的是密度較大的無機化合物。為了減少器件的質量，利用以聚合物和碳納米管為代表的紙基電子器件引起了極大的關注。與其他柔性基底材料如塑料相比, 紙基柔性超級電容器具有印刷工藝簡單、制造價格低廉以及基底和活性材料之間具有更好的粘合力等優勢。
最近，中國科技大學材料科學與工程學院朱彥武教授課題組在Science China Materials上發表文章，通過噴墨打印碳量子點(CQDs)和氧化石墨烯(GO)組成的混合墨水、采用PVA/H2SO4為凝膠電解質制備了固態柔性超級電容器，并對其性能進行了系統研究。
圖1 碳量子點/氧化石墨烯混合墨水制備紙基全固態柔性超級電容器的性能
本工作通過打印100次混合墨水獲得的超級電容器在100 mV s?1的掃描速率下顯示出~1.0 mF cm?2的比電容, 相比于純GO墨水制備的超級電容器其比電容增加了150%。
通過進一步優化, 基于超級電容器整個裝置(包括紙基、凝膠電解質和活性材料)在0.28 mW cm?3的功率密度下表現出0.078 mW h cm?3的能量密度。 此外， GO薄片具有出色的機械強度， 確保超級電容器具有良好的柔韌性和機械強度， 在彎曲半徑為7.6 mm的條件下彎曲1000次后， 仍保留98%的電容。
這種基于碳基墨水和紙張基材的噴墨打印的技術為低成本、 輕便、 靈活/可穿戴式儲能裝置的大規模制備提供了可能。
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《先進材料》中美合作實現獨立三維細微觀結構，電子器件及形狀可編輯的智能系統
此外，SMP作為一個載體，通過與其他功能材料及器件集成，能夠形成獨立三維功能器件。該研究團隊展示了通過集成電子器件，包括LED，電容器及線圈來實現通過無線通訊系統（NFC）給LED提供能量。此外，形成的獨立三維結構及器件在機械及熱力學方面都表現出極強的穩定性，上述研究都為該研究未來在生物醫學，MEMS，能源收集等領域的應用奠定了基礎。
圖3 基于SMP的三維微電子器件
清華大學航天航空學院張一慧副教授和美國西北大學約翰·羅杰斯教授為本文的共同通訊作者。美國密蘇里大學王學舉助理教授，清華大學航天航空學院博士后郭曉崗和清華大學微納米力學中心博士研究生葉際隆為本文第一作者。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、中組部青年千人計劃、科技部973計劃等項目的資助。
參考文獻：
Wang XJ, Guo XG,Ye JL, et al. Freestanding 3D mesostructures, functional devices andshape-programmable systems based on mechanically induced assembly with shapememory polymers.[J]. Advanced Materials, 2018, 1805615. DOI:10.1002/adma.201805615.
展開 突破：可穿戴鈣鈦礦太陽能電池效率15%！
可穿戴電子是未來電子元器件研究發展的重要方向，其中電源是核心的組成部分。電源的獲取方式和效率影響著未來可穿戴電子的設計與功能。目前，可穿戴電子設備的電源主要為鋰離子電池，其固有特性一定程度上限制了可穿戴電子的戶外使用性、安全性和人體皮膚貼合性。
近年來，金屬有機雜化鈣鈦礦太陽能電池以其優越的光電轉換性能受到廣泛關注，為其作為電源應用于可穿戴電子設備提供了可能。然而到目前為止，柔性鈣鈦礦太陽能電池尚未能實際應用于可穿戴電子設備中。其重要原因之一是鈣鈦礦材料本身的易脆性，導致大面積電池效率重現性差和無法適合復雜的人體動作。
在科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員宋延林課題組科研人員近年來在印刷制備鈣鈦礦晶體及電池器件方面開展了研究。他們在印刷制備鈣鈦礦材料方面取得進展，實現了相比傳統工藝更環保的噴墨打印制備(J. Mater. Chem. A 2015,3, 9092-9097)；通過控制打印過程實現了鈣鈦礦單晶材料的可控生長(Sci.Adv.,2018,4,eaat2390;Small,2017,13,1603217)。基于電池器件圖案化設計也取得系列進展(Adv. Mater. 2018,30,1804454; Adv.Energy Mater., 2018,8,1702960.; Nano Energy, 2018,46:203-211; NanoEnergy, 2018,51:556-562)，并通過納米組裝-印刷方式制備蜂巢狀納米支架作為力學緩沖層和光學諧振腔，從而顯著提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和力學穩定性(Adv.Mater.2017,29,1703236)。
展開 自修復超級可伸縮彈性導體材料的研制取得重要進展
可拉伸電子器件在可穿戴電子器件、柔性能源和仿生器件等新興領域具有重要應用，如何使拉伸導體在大拉伸形變條件下保持優異的電機械穩定性是該領域存在的重大挑戰。
針對這一難題，科研人員首次提出將金屬納米結構三維組裝導電骨架與金屬-硫配位鍵引入到彈性聚合物凝膠網絡結構中的設計理念，在經取向冷凍干燥技術制備的具有高度有序蜂窩結構的三維銀納米線氣凝膠中進行原位聚合N-異丙基丙烯酰胺，成功研制出兼具自修復性、高導電性和電機械穩定性以及優異抗拉伸性能的新型彈性導體材料。
這種基于納米、微米、宏觀尺度的多級次等級有序結構，以及網絡結構中聚合物鏈和銀納米線之間強相互作用，所構筑的彈性復合材料能夠通過自身蜂窩結構形變和應力在整個網絡中均勻分散而避免單一結構受力的協同機制有效地弛豫外力和耗散斷裂能。因而，該彈性導體表現出媲美銀納米線氣凝膠的高導電性（93 S/cm）、超高的拉伸形變能力（800%）以及優異的電機械穩定性和抗疲勞能力。其在100%拉伸應變下，電阻變化僅20%，在100%-800%應變下循環拉伸500圈，其不可逆電阻變化可以忽略。此外，由于動態可逆銀-硫鍵的巧妙設計，該彈性導體材料表現出快速而高效的愈合能力，在1分鐘時間內可實現自愈合，且愈合效率高達93%。更重要的是，修復后的材料仍然保持了優異的導電性能、機械性能和電機械穩定性。
圖1. 彈性導體材料的制備及其電機械性能。
圖2. 彈性導體的自修復性能。
展開 王中林院士團隊Nano Energy : 柔性摩擦納米發電機與柔性電池集成構筑可穿戴的自充電電源組
【引言】
柔性電子器件，例如可穿戴器件、電子皮膚和智能傳感器等，由于其獨特的柔性以及高效、低成本制造工藝受到了各界的矚目。為了實現全面的柔性，柔性的儲能系統不可或缺。在各種儲能裝置中，鋰離子電池(LIB)由于其高能量密度和良好的可循環性是便攜式電子產品的最佳選擇之一。然而，傳統LIB是剛性的，難以與柔性電子器件兼容。因此，應優化集電器、電解液和包裝，以符合柔性器件的需求。最近，摩擦納米發電機(TENGs)因其收集機械能并將其轉化為電能而備受關注。TENG可以從日常人體運動中獲取能量，為LIB等儲能設備提供能量。研究人員已經將TENG與各種儲能裝置集成以形成自供電系統。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、孫春文研究員、西班牙馬德里材料研究所José Antonio Alonso教授(共同通訊作者)等將柔性摩擦納米發電機(TENG)與柔性電池集成構筑可穿戴的自充電電源組，并在Nano Energy上發表了題為“Structural and Electrochemical Properties of LiMn0.6Fe0.4PO4 as a Cathode Material for Flexible Lithium-ion Batteries and Self-charging Power Pack”的研究論文。作者首先通過中子粉末衍射(NPD)技術研究了Fe摻雜對LiMnPO4(LMP)結構的影響。所制備的LiMn0.6Fe0.4PO4/碳(LMFP/C)材料在1C的電流密度下顯示出90 mAh·g-1的較高比容，是LiMnPO4/C的約5倍，其具有1000次循環以上的出色循環性能。
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