导读
可穿戴能量存储与收集设备的发展对于推动下一代医疗保健技术至关重要，有助于实现持续实时的健康监测。传统的可穿戴设备一直受到体积庞大且质地坚硬的电池的限制，从而制约了其实用性和佩戴舒适度。然而，材料科学领域近期的进展使得制造出柔性、可拉伸且轻质的能量存储与收集解决方案成为可能。能量存储与收集技术的整合，对于开发能减少对外部电源依赖、延长设备使用寿命的自维持系统而言必不可少。这些集成系统确保了对实时健康监测至关重要的传感器和处理器能够持续运行。
本文综述了可穿戴能量存储与收集领域近期取得的重大进展，重点关注可穿戴设备、太阳能电池、生物燃料电池、摩擦纳米发电机、磁弹性发电机、超级电容器、锂离子电池和锌离子电池方面的最新进展。文中还探讨了对其可穿戴应用至关重要的关键参数，如能量密度、功率密度和耐用性。最后，本文阐述了这一快速发展领域未来面临的挑战和前景，强调了开发用于医疗保健应用的创新性自供电可穿戴系统的潜力。
图文摘要
01. 介绍
图1. 可穿戴式储能与能量收集装置的分类，及其作为供电系统在医疗保健领域的应用
图2. 对可穿戴能源系统发展历程的概述。诸如锂离子电池、锌离子电池和超级电容器等柔性储能系统，以及像太阳能电池、生物燃料电池、摩擦纳米发电机和磁弹性发电机等柔性能量收集系统，均已得到广泛的探索和研究 。
02. 可穿戴能量收集设备
图3. 可穿戴太阳能电池及其在医疗保健领域的应用。a. I. 线状钙钛矿太阳能电池（PSC）的示意图及其工作机制；II. 光电模块和有机发光二极管（OLED）结构的示意图，以及可水洗测试过程中运行模块的图片，插图显示模块清洗后浸入水中；III. 本征可拉伸有机太阳能电池（OSC）的示意图以及处于拉伸状态下的本征可拉伸有机太阳能电池器件的照片；b. I. 制备碳纤维 @聚苯胺 @硒化钴（CF@PANI@CoSe）对电极的示意图以及柔性染料敏化太阳能电池（FDSSC）的原理图；II. 柔性染料敏化太阳能电池结构的示意图、弯曲的柔性染料敏化太阳能电池的照片，以及手臂下方有一对摩擦纳米发电机织物、肩膀上串联七个柔性染料敏化太阳能电池的电力织物的照片；c. I. 柔性平面异质结太阳能电池（FPSC）模块架构的三维模型示意图、横截面扫描电镜（SEM）图像以及柔性平面异质结太阳能电池的照片；II. 可穿戴钙钛矿太阳能电源的示意图、可穿戴钙钛矿太阳能电池的配置以及不溶性苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯嵌段共聚物（SBS）和可溶性聚氨酯（PU）的化学结构，以及具有可拉伸和可扭转特性的可穿戴钙钛矿太阳能电池的照片；d. I. 展示集成了染料敏化太阳能电池和柔性超级电容器功能的纺织布的可裁剪性的照片以及等效电路；II. 柔性钙钛矿太阳能电池结构的示意图、一个由太阳能驱动的、自供电的可穿戴钙钛矿太阳能电池 - 锂离子电容器 - 传感器集成系统；e. I. 集成了聚合物太阳能电池的纺织电池的示意图和照片以及电池运行演示的照片；II. 由纳米复合材料聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（NC - PEDOT:PSS）结构释放应力的示意图以及作为可穿戴电源的柔性太阳能电池模块的照片；III. 用于快速离子扩散和电荷传输的分级通道的示意图以及集成了自供电纺织品、健康监测和显示模块的智能医疗保健服装 。
图4. 利用生物燃料电池进行可穿戴生化能量收集及其在医疗保健中的应用。a. I. 表皮组织生物燃料电池（tBFC）示意图以及志愿者三角肌上受 “加州大学（UC）” 启发设计的 tBFC；II. 龙形纹身状表皮燃料电池的设计示意图以及在机械变形下的皮肤表面燃料电池的照片 ；b. 透皮离子导入贴片示意图、贴在人手臂上的贴片照片以及离子导入辅助药物递送机制示意图；c. 可拉伸生物燃料电池示意图以及经 50% 拉伸的碳纳米管（CNT）修饰的丝绸胶带（ST）照片；d. I. 皮肤贴片微生物燃料电池（MFC）示意图及提议的设备配置 ；II. 关于将产芽孢微生物燃料电池作为一次性可穿戴电源的拟议工作的概念图；e. I. 用于在人体皮肤上实时、连续原位采集、转移、储存和排泄新鲜汗液的微流体模块示意图；II. 集成在一块纺织品上的超级电容器（SC）和生物燃料电池（BFC）化学自供电系统应用于志愿者手臂的情况；III. 通过印刷柔性互连连接的基于纺织品的 BFC 模块示意图以及衬衫内用于直接接触汗液的 BFC 模块和电位传感器照片；IV. 隐形眼镜生物燃料电池示意图及原型；V. 嵌入软性隐形眼镜中的电池照片以及电池的柔韧性展示照片。
图5. 可穿戴机械能收集装置。a. I. 摩擦电发电机的结构与工作原理示意图；II. 由磁电 - 摩擦纳米发电机（MG - TENG）组成的薄膜示意图、柔性聚四氟乙烯（PTFE）薄膜照片以及聚四氟乙烯纳米颗粒的扫描电镜（SEM）图像；III. 混合纺织品三种电气连接策略示意图；b. I. 产生磁通量的多孔软系统示意图以及软磁弹性发电机（MEG）的结构组成；II. 纺织磁弹性发电机的示意图设计以及作为可穿戴脉搏传感器的纺织腕带照片。
03. 可穿戴电化学储能装置
图6. 使用超级电容器的可穿戴能量存储及其在医疗保健中的应用。a. I. 包含相变材料（MPCMs）的全固态超级电容器的组装示意图；II. 全固态超级电容器（SCs）充放电机制的示意图；III. 自支撑一体化超级电容器（SI - SC）横截面扫描电镜图像的放大视图以及 SI - SC 器件的数码照片；b. I. 平面基板微超级电容器（MSCs）的示意图以及两个相邻电极指之间的氧化还原反应；II. 长周期光栅修饰的微图案化海绵（LPG - MPS）阵列的照片以及与可驱动三个发光二极管（LED）的 LPG - MPS 阵列相连的柔性印刷电路（FPC）；c. 应用于全固态超级电容器的具有一体化界面的聚苯胺 - 聚乙烯醇（PANI - PVA）电极的制备示意图；d. 封装在真空密封袋中的 6 伏 “堆叠式” 超级电容器的示意图和图像；e. 集成无线充电微超级电容器（IWC - MSC）无线充电系统的示意图以及无线充电过程中无线充电系统的照片；f. I. 集成供能装置的电路图以及配备热释电发电机（TEG）和超级电容器（SC）的手臂摆动示意图；II. 可穿戴腕带的照片（插图：作为气体检测指示器的 LED）；III. 在人体上以串联和并联配置连接的一体化可拉伸微超级电容器阵列（MSCAs）的光学图像。
图7. 使用锂离子电池的可穿戴能量存储及其在医疗保健中的应用。a. 基于聚合物凝胶电解质的纤维锂离子电池制造工艺示意图；b. 超拉伸电池及其多层结构的示意图；c. 具有软区和硬区的化学分子结构示意图；d. 近红外驱动的自充电系统示意图，该系统包括柔性量子点光伏（CQD PVs）模块和叉指结构的锂离子电池（LIB），以及集成自充电系统的可穿戴设备照片；e. I. 腕带式锂离子电池和单个软包电池的示意图；II. 与智能手机进行远程通信的集成自充电电源系统照片，以及该电源系统的等效电路图。
图8.使用锌离子电池的可穿戴能量存储及其在医疗保健中的应用。a. I. 具有空气充电能力的水系锌离子电池纤维集成到多功能可穿戴系统的示意图；II. 一种将锌离子电池（ZIB）与应变传感器集成的自供电液态金属基电子纺织品示意图；III. 纤维状集成锌离子电池制备路线示意图；b. I. 平面型锌离子微电池（ZIMBs）的示意制造工艺以及弯曲条件下的安全测试；II. 单体策略与集成多功能设备策略的示意图以及 ZIB-P 传感器对人体脉搏的响应；c. I. 与应变传感器集成的纤维状锌离子电池示意图，以及手腕运动和膝盖运动的照片；II. 由柔性硼氢化锌（BH-Zn）阳极、隔膜和磷酸氧钒（PVO）阴极组成的完整电池示意图，以及测试者在跑步机上使用自供电心率监测设备跑步的照片；d. I. 水系锌离子电池（AZIB）的制造流程示意图以及 AZIB 在可穿戴电子设备和植入式生物医学设备中的应用；II. 二氧化锰 @碳布（MnO₂@CC）和 MnO₂₋ₓ@碳布的示意制造过程，以及展示自供电智能手环集成的数码照片。
04. 可穿戴应用的关键特性
图9. 能量密度、功率密度与弯曲特性的对比（以近五年典型的柔性超级电容器为例）。可穿戴储能设备的应用受多种因素复杂相互作用的影响，不同的应用需求需要在能量密度、功率密度和弯曲循环次数之间寻求平衡。
图10. 提高可穿戴电池能量密度和功率密度的方法。a. I. 制备加厚一体式柔性超级电容器 M3@mDW (100) 的合成过程示意图；II. 用于生产连续型柔性锂离子电池（FLIB）的装置示意图、扭曲 FLIB 的扫描电镜图像和元素映射图、集成了 FLIB 织物的棉衬衫和夹克照片。b.I.P (VI - co - VmimBF4) 共聚物的聚合示意图以及利用 Im - Zn²⁺相互作用作为动态基序的自愈合离子凝胶的设计理念；II. 对苯醌 / 硫脲聚合示意图以及对称超级电容器的拉贡图；c. I. 受竹席启发的离子导电三电极（ICTE）设计示意图；II. 通过微反应策略合成 SOM - ZIF - 8 以及通过原位硫化反应合成 ZnS/SOM - C 的示意图；d. I.GC - A//Zn 锌离子混合电容器（ZIHC）电极的 3D 打印制造过程示意图以及多功能可穿戴能源系统的工作状态；II. 之字形可折叠电池的制造过程示意图，以及单向弯曲时相对最小弯曲半径和相对能量密度与无量纲间隙宽度 δ₀/h 的函数关系；III. 具有圆柱形单元的电池拉伸变形示意图和照片。
图11. 影响可穿戴电池使用寿命的主要因素。a. I. 纳米 SFQ 的结构示意图、使用纳米 SFQ 的锌阳极取向映射图以及 FAZAB 的恒电流充放电循环曲线；II. 混合纤维电极的制备过程示意图、独特的分级微裂纹和多孔结构示意图、混合纤维电极的长期循环性能，以及纤维水系锌电池为智能手机有效充电的照片；b. I. 完整可拉伸电池的示意图、对称和反对称变形模式的光学图像及相应的有限元分析（FEA），以及在双轴拉伸至 300% 时连接红色 LED 的电池运行情况；II. 基于 GNC 电极和凝胶聚合物电解质膜的柔性固态超级电容器装置示意图、不同角度弯曲的柔性固态超级电容器装置照片，以及装置在平坦和弯曲状态下的循环稳定性；III. 使用石墨烯薄膜作为集流体和最佳 GO - GPE 的柔性电池示意图、柔性电池在不同弯曲次数后的循环性能，以及原位 90 次机械弯曲后的柔性电池充放电曲线。
05. 挑战与展望
图12. 对未来挑战与前景的展望。推动这一领域的发展需要在复杂形变与耐久性、高度集成与定制化、容量与效率、人工智能和大语言模型，以及柔性可穿戴固态电池等方面展开全面努力 。
本文亮点
本文探讨了可穿戴医疗设备在能量存储与收集系统方面的最新进展。
系统介绍了柔性超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、摩擦纳米发电机（TENGs）及其他设备。
分析了影响可穿戴能源设备的因素，包括能量密度、功率密度和耐用性。
探索了可穿戴能源系统的未来前景，特别强调了人工智能（AI）和大语言模型（LLMs）的作用。
柔性可穿戴能量存储与收集系统为医疗保健应用提供了一条充满前景的道路。
作者：赵月棠
审核：方 俊
END
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00048-w
引用格式
Zhang, Q., Soham, D., Liang, Z. et al. Advances in wearable energy storage and harvesting systems. Med-X 3, 3 (2025). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00048-w
作者简介
张强，上海交通大学溥渊未来技术学院万佳雨团队博士后，中北大学讲师。博士毕业于中国科学院大学，主要从事高比能电池材料方向的研究。
万佳雨，上海交大溥渊未来技术学院，未来电池研究中心执行主任，副教授，博士生导师。研究方向主要为储能材料与器件、先进制造、人工智能等。曾在美国斯坦福大学进行博士后研究，合作导师为Yi Cui教授与Zhenan Bao教授。在美国马里兰大学获得博士学位，师从Liangbing Hu教授（现耶鲁大学）；本科毕业于华中科技大学。发表SCI论文90余篇，总被引用13,000余次，H因子51。曾获得斯坦福大学全球前2%科学家年度榜单（自2020年起连续入选），科睿唯安全球高被引学者（交叉学科，2024）。担任eScience, National Science Open等多个杂志青年编委。实验室网站https://www.x-mol.com/groups/deepenergy.
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Med-X 期刊发文聚焦生物医学工程领域，包括但不限于以下10个前沿专题：分子与细胞工程，生物材料与组织工程，药物、基因和细胞输送系统，免疫工程，生物力学与机械生物学，生物热科学与工程，生物医学仪器与生物传感器，医学机器人、人工智能和远程医疗，生物医学影像学，生物信息学和计算生物学等。
