自充电能源系统研究进展综述

近年来，便携式可穿戴式电子设备开始被大规模应用，并且朝着小型化、智能化、多功能化和柔性化发展。然而，可穿戴电子产品面临的主要问题是现有的电池不足以为其持续供电，频繁的充电和更换电池限制其进一步发展。为解决这一问题，除了提高储能电池的能量密度以外，另一种可行的解决方案是将能量转换和存储装置集成为自充电能源系统（Self-charging Power Systems, SCPS），这就使得收集的能量可以实时存储起来，并实现可持续的电力供应。这一方案最近在学术界也引起了广泛关注和深入研究。研究人员已经成功研制出多种能量收集器件：包括摩擦纳米发电机（TENG）、压电纳米发电机（PENG）、太阳能电池和热电发电机等，这些能量收集设备可以与储能设备（电池、超级电容器）结合起来，进一步被集成在柔性、可穿戴电子设备中，实时补偿电子设备的能量消耗，甚至实现能量的自给自足。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、胡卫国研究员和王中林院士（共同通讯作者）研究小组全面总结了自充电能源系统的发展现状，概述了已报导的各种自充电能源系统（包括集成TENG、PENG、太阳能电池、热电器件等能量转换设备与电池、电容器等能量存储设备的系统），讨论了这些系统是如何在材料、电极、器件等不同层面上进行集成，并侧重总结了面向可穿戴柔性电子设备的自充电集成系统。此外文章也讨论了电源管理系统在自充电能源系统中的重要性，以及目前取得的进展。最后，文章总结了这一领域的重要进展、和面临的主要问题：

重要进展如下：①提出多种能源集成系统的原型，如基于PENG、TENG和太阳能电池的SCPS；②收集不同能源的SCPS各有其独特优势；③SCPS具有众多潜在应用，如柔性/可穿戴电子设备、个人医疗保健、运动监测、自供电传感器、物联网等。

面临的主要问题如下：①多数SCPS仍处于概念验证阶段；②SCPS中每个集成单元的效率较低；③SCPS的整体系统效率有待提高；④选择适用的储能电池或电容器体系也至关重要；⑤几种SCPS的机理尚未完全清楚。