深港微电子学院林苑菁课题组发表关于柔性储能器件在可穿戴生物传感应用的重要综述性文章

2021-10-22 科研聚焦 浏览量：22140

近日，南方科技大学深港微电子学院林苑菁课题组系统总结了面向可穿戴生物监测的柔性储能器件的最新研究进展，包括电池、超级电容器、自供能系统以及在可穿戴生物传感技术中的应用。相关结果以“Flexible energy storage devices for wearable bioelectronics”为题在中科院下属期刊半导体学报（Journal of Semiconductors）上发表，并被选为封面文章。博士生马小浩为第一作者，本科生江政繁为第二作者，林苑菁教授为通讯作者，深港微电子学院为第一通讯单位。

图1：期刊文章封面

近年来，个性化医疗和远程诊断的发展前景促进了智能手环等可穿戴生物监测技术的研究，而实现实时的健康监测的功能依赖于柔性可穿戴器件中的稳定能量供给。传统的储能器件（如电池）大多是刚性的，弯曲折叠时容易造成电极开裂，影响其能源存储性能，甚至可能造成严重的安全问题。因此，能够承受机械变形并保持良好能力能源转化及存储性能的柔性能源器件成为研究热点。研究人员通过材料优化、器件结构创新和智能自供能集成系统的研究，在面向生物监测的可穿戴柔性电子技术领域取得了令人瞩目的进展。

鉴于此，该文首先概述了常用的柔性储能器件（如可充电电池、超级电容器等）的制造方法，主要包括水热法、电化学沉积等化学方法和涂覆、3D打印等物理方法。文章同时介绍了基于柔性储能器件的自供能集成系统的代表性成果，总结了主要工作原理和创新之处。例如，太阳能光伏电池可用来收集光能，热电发电机用来收集热能，摩擦电和压电发电机用来收集机械能，这些能量都可以用于对柔性储能器件进行充电。此外，介绍了柔性储能器件及自供能系统在生物传感领域的应用，包括生理信号和物理信号传感器系统。

最后，文章讨论了面向生物监测应用的可穿戴自供能传感器系统的发展前景和挑战。近年来，针对材料优化和微纳柔性器件制造技术的研究成果使得柔性电化学储能技术取得了长足的进展，其中许多储能技术已应用于商业产品中。然而，柔性储能装置在实际应用中仍面临以下几个挑战。首先，柔性器件的关键性能指标之一是机械稳定性。其次，为满足可穿戴电子器件的小型化需求，器件的体积不断减小，整体储能容量有所下降，难以满足长期、实时的健康监测功能的能源需求。第三，面向健康监测的柔性器件应当具备生物安全性及穿戴舒适性。通过研究进展及创新方法实现对柔性储能器件的机械稳定性和电化学性能提升将使自供能柔性集成电子器件更具备实用性，使其在可穿戴生物监测领域有更广泛的应用。

图2：柔性储能器件的制备方法、能量来源及其在可穿戴生物传感技术中的应用