新型柔性儲能元件在服裝上的應用分析

馮姣媚　劉詠梅

東華大學 服裝·藝術設計學院(中國)

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新型柔性儲能元件在服裝上的應用分析

馮姣媚劉詠梅

東華大學 服裝·藝術設計學院(中國)

電源作為智能服裝上必不可少的組成部分，極大地影響了服裝的舒適性。智能服裝上輕薄、體積較小的電源能顯著提高服裝的服用性能。儲能元件的柔性化對智能服裝的設計和研發非常有意義。為探討柔性儲能設備應用于服裝的可行性，對現有柔性電源進行了分類，總結了各類柔性儲能設備的發展現狀，對其在服裝上的應用條件、嵌入部位、連接方式及儲能大小進行了分析，并提出開發適用于服裝的柔性儲能元件的注意事項。

柔性儲能元件；柔性電池；智能服裝；鋰離子電池；太陽能電池；鋅離子電池；超級電容器

近年來，隨著可穿戴設備的興起，智能手表、智能眼鏡、智能服裝等都逐漸進入人們的日常生活。以智能服裝為例，可監測心率的保健服裝或LED類的裝飾服裝都需要電源的供給，而傳統電源的固態特征并不能很好地適應服裝的舒適性。因此，柔性儲能元件的開發對智能服裝而言十分關鍵。柔性儲能元件若能搭配導電纖維、柔性傳感器等新型元件，智能服裝的舒適性必將會有很大提升[1]。

目前，很多國內外研究機構對柔性儲能元件都進行了深度研發和改善，但大部分柔性儲能元件的應用背景是可穿戴智能設備，很少有科研機構直接開發智能服裝，導致柔性儲能元件在智能服裝上應用的適應性很差。

1　柔性儲能元件的分類和技術要點

柔性電子學是將有機或無機電子器件制作于柔性塑料或金屬箔基片上的新興電子技術[2]。而柔性儲能設備在不同類型的電源上采用的技術工藝有不同程度的差異，開發最全面的是鋰離子電池和太陽能電池。

柔性儲能元件一般分為柔性電池和超級電容器兩大類。柔性電池主要有鋰離子電池類、太陽能電池類、鋅離子電池類等，而柔性超級電容器一般是指應用了石墨烯的超級電容器。

1.1柔性鋰離子電池

隨著移動設備的興起，可多次充放電的蓄電池越來越受歡迎。鋰離子電池為蓄電池的一種，經過20多年的發展，已成為蓄電池中發展最為成熟的一類[3]，目前大部分智能手機所用的便是鋰離子電池。作為最常用的蓄電池，鋰離子電池的柔性開發意義重大。

柔性鋰離子電池制作的關鍵是獲得柔性、可變形的電極材料。傳統的電極是銅箔和錫箔，因此找到柔性的集流體便能很大程度地解決鋰離子電池的柔性問題[4]。經過研究，當前主要利用碳納米管材料作為柔性的集流體取代銅箔和錫箔，從而獲得柔性鋰離子電池。為了增加電池的比能量，還可以通過疊片方式，最后用硅膠封裝，形成柔性的全電池[5]。

柔性鋰離子電池還可以制成薄膜的形式。薄膜鋰離子電池的基片可采用金屬箔或聚合物薄膜，功能薄膜層和封裝保護層都可以做成微米級薄膜，因此在外部形態上是柔性的薄膜電池[6]。柔性鋰離子電池的制備工藝相較于其他類型電池較為復雜，且多種電池還處于開發、完善階段，因此市場應用性不高。

1.2柔性太陽能電池

太陽能電池的柔性化是當前柔性電池研究的主要發展方向，相對柔性鋰離子電池，太陽能薄膜電池已投放市場，如應用于雙肩背包(圖1)、可充電的太陽能服裝等。

圖1　太陽能背包

薄膜太陽能電池作為柔性太陽能電池的主要形式，具有節省原料的主要優勢。除太陽能薄膜電池外，染料敏化太陽能電池(圖2)也能制成柔性化形態。柔性染料敏化太陽能電池是在柔性導電襯底上制備的電池[7]，它模擬植物的光合作用，通過吸收太陽光或人工光源，將光能轉化為電能。染料敏化太陽能電池可根據需要制成圖案、多色和透明等多種形式，其光電轉換效率能保持在10% 以上，而成本與一般的硅太陽能電池相比卻又低很多。總體而言，染料敏化太陽能電池結構與工藝簡單、成本低廉，可利用弱光，且顏色豐富，甚至可制成裝飾品[8]。

圖2　染料敏化太陽能電池

1.3柔性鋅離子電池

柔性鋅離子電池主要用于印刷電池，不可充電，但制作成本低廉。鋅離子電池屬于堿性電池，與鋰離子電池相比，原料更為環保，且無需密封。柔性鋅離子電池通過模板印刷于纖維基材上，形成可彎曲的形態，并能驅動柔性印刷電路[9]。

1.4柔性超級電容器

超級電容器是一種新型電能存儲器件，相對于傳統的平行板電容器，它具有更高的能量密度；相對于鋰離子電池，它具有更高的功率密度及更好的循環穩定性[10]。它所具有的高能量密度優勢，使其可應用于大功率、高能量的電源，如應急電源、穩壓電源等[11]。

如今，超級電容器也正向柔性化方向發展，其柔性的主要工藝是利用自支撐的碳基材料作為電容收集器的主要材料。目前的柔性超級電容器主要由以下4部分組成：柔性外包裝、正負電極、電解液(液態或固態)及隔膜[12]。圖3所示為柔性超級電容器結構示意圖，電極作為其中最關鍵部件，常為自支撐的碳基材料，它們既是電極的一部分，又充當著電流收集極的角色。

圖3　柔性超級電容器結構示意圖[11]

柔性超級電容器上應用最廣泛的材料是石墨烯，石墨烯作為最新形態的碳單質，具有一系列優越的物理化學性能，易于制備柔性材料。因此，石墨烯材料已成為當今科學家研究柔性超級電容器的主要對象。

1.5柔性儲能元件小結

表1歸納了不同柔性儲能設備的技術特點及其優缺點。

表1　不同柔性儲能設備比較

2　柔性儲能元件的研究進展

近年關于柔性儲能元件的研究逐漸成為研究熱點，尤其是隨著三星曲面屏及智能手表等的問世，柔性電源的研發逐漸提上日程。國內外有關鋰離子電池、鋅離子電池、太陽能電池及超級電容器的柔性儲能元件的研究都有很大進展。

2.1柔性鋰離子電池的研究進展

近幾年，對柔性鋰離子電池的研究較多。研究重點集中于電池的形態、大小、電解質和電極的材料及電池的安全性等。主要產品在具有柔性特點的基礎上，在形狀(從線狀到片狀)、待機時間等方面，呈現出多元的發展態勢。

2012年，韓國報道了一種柔性全固態的鋰離子電池，這款電池將鋰箔作為電極，并采用硅膠封裝后獲得全電池。同年，韓國的Kim等又提出了一種纜繩型(cable-type)柔性鋰離子電池，該電池可制備成不同形狀的電池變形產品，極大地方便了電子器件的設計[13]。

2013年，美國伊利諾斯大學研發出了毫米級的微型鋰離子電池，韓國蔚山國立科技學院研究出一款可變形聚合物電解質鋰電池。

一些公司也在開發柔性的電池產品。三星的兄弟企業——三星SDI發布了可彎曲鋰電池，一次充電可待機5 d，可用于智能手表及腕帶。LG公司開發出一種形狀如電線的柔性鋰離子電池，能承受較大幅度的彎曲和變形，甚至打結后仍可正常工作。

柔性鋰離子電池除有電線狀外，薄如紙張的電池也已被開發。臺灣輝能科技公司(Prologium)自主研發了一款超薄可彎曲柔性電池(FLCB)(圖4)[14]，厚度僅0.33 mm，能像紙一樣被任意裁剪，外力刺激并不會對電池造成損傷，因此原有電池剪切后即可直接作為新電池使用，且FLCB能經受1 300 ℃的高溫。如此好的性能，使其非常適合用于柔性智能終端及可穿戴設備[15]。

圖4　FLCB

2.2柔性太陽能電池

柔性太陽能電池的開發很早就已開始。日本在1976年就開始了對染料敏化太陽能電池的研究，近年來，美國、德國等也陸續進行染料敏化太陽能電池的研究[16]。柔性太陽能電池的研究重點在于提高太陽能的轉換效率，制備高性能的太陽能電池。

目前日本在柔性太陽能電池方面的研究比較突出，2004年，日本桐蔭大學研究生院工程學的研究小組就已試制成功了一種色素增感型太陽能電池，該電池底板采用聚酯薄膜，能達到柔性化，且質量很輕，因此可用于彎曲的表面，如粘貼于服裝或雨傘等的表面。

美國加利福尼亞大學的科學家利用納米技術和聚合物研發出一種柔性太陽能電池，電池的電極間夾有幾百納米厚的有機薄膜。德國也曾報道柔性太陽能電池在服裝上的應用，探討了電池配套的光電裝置與服裝的整體性問題[17]。

近兩年，芬蘭VTT技術中心的研究人員開發了一種柔性太陽能電池板，可用于物體的表面，也可做成移動電源，為其他設備供電。這種柔性太陽能電池板也可從室內燈光中吸取能量(圖5)。

圖5　可做成藝術品的柔性太陽能電池板[18]

2.3柔性鋅離子電池

柔性鋅離子電池相對于其他柔性儲能設備，研究起步較晚。由于其本身易造成短路，穩定性不高，因此開發難度很大。但近兩年，有關柔性鋅離子電池的研究取得了突破性的進展。

2014年，美國Imprint能源公司研發出一種柔性、可印刷、可充電并可自定義形狀的鋅離子電池(圖6)，這種電池可在工業絲網印刷機上通過廉價印刷獲得，可用于可佩戴電子產品、醫療產品、智能標簽，以及環境傳感器等產品中。

圖6　柔性鋅離子電池[19]

盡管柔性鋅離子電池的研發還沒有達到市場應用的水平，但憑借其成本低廉的優勢，相信有關這類柔性儲能設備的研究一定會再創佳績。

2.4柔性超級電容器

科研機構對一般超級電容器的研究已相當成熟，但對柔性超級電容器的研究尚未深入。2014年，新加坡南洋理工大學、中國清華大學和美國凱斯西儲大學聯合開發出一種類似于纖維的柔性微型超級電容器，可織成面料，為其他設備提供電源。這款電容器中包含緊致的石墨烯和碳納米管的互聯網絡，因此其存儲能量相比薄膜鋰電池更具優勢。如圖7所示，這種柔性的超級電容器直接成為服裝的一部分，供給服裝電源，不僅造型簡單，舒適性也大大提高。

圖7　柔性微型超級電容器[20]

該纖維還可直接織成服裝，成為智能服裝的一部分。例如，可開發成醫療監控服裝，對病人實現實時監控，并將信息反饋給醫生[20]。

2015年，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所的研發團隊在柔性超級電容器研究方面取得了新進展，制備出一種具有插指狀構型的柔性超級電容器，可有效抑制初始放電電壓的壓降問題，并在與柔性器件結合方面具有很大的優勢[21]。

隨著研究的不斷深入，柔性超級電容器作為特殊的一類儲能設備，將逐步改進其低能量密度的劣勢，研發出實用的儲能器件。

3　柔性儲能元件在服裝上的應用分析

3.1應用條件

柔性儲能設備在不同電池類型中已開發得較為全面，并不斷取得研究進展。但目前來看，很多儲能設備的開發背景主要是針對可穿戴電子設備、柔性手機等新興電子裝備，最常見的可穿戴電子設備是智能手表、智能眼鏡等。

反觀服裝領域，智能服裝的研究是2013年后才逐漸步入正軌的，相比之下，可穿戴設備的開發難度較小，且市場應用性大，因此智能服裝領域總是滯后于可穿戴領域。當下熱門的智能服裝，如可監測心率與呼吸的智能T恤、LED類服裝、可播放音樂的服裝或帶顯示屏的服裝等，都很少能利用柔性儲能設備[22]，這對智能服裝的研發進度產生了一定的影響。

人們期望減弱對手機的依賴性，如希望在跑步時直接依靠服裝實現計步、監測及音樂播放等功能，因此智能服裝的開發變得越來越緊迫和重要。為達到更好的適應性，有必要將柔性儲能設備引入服裝，以提高智能服裝的舒適性、減小服裝的質量等。同時，要求柔性儲能元件能匹配其他柔性設備，確保服裝的整體舒適性。當前正在研發的柔性傳感器、導電纖維、柔性屏幕等，都可提高智能服裝的穿著適應性。

因此，當智能服裝的一些功能需要電力供應時，若可將儲能大小合適的柔性電源嵌入服裝中，同時搭配柔性傳感器、導電纖維、柔性屏幕等，智能服裝則將不再受款式限制，甚至可將這些柔性設備應用于薄型緊身面料中，更大限度地擴大智能服裝的涵蓋領域，設計柔軟舒適的服裝。

3.2嵌入部位分析

柔性儲能元件應用于服裝時需充分考慮嵌入部位，全面分析儲能元件大小及應用條件，并確保與其他元件的配伍性，以達到最好的人體舒適度，同時需減少導線長度，保證電路順暢。

現以一款智能夜跑服為例作介紹。夜跑服的功能需求：

——將LED燈裝在夜跑服的適當部位，提高服裝的可視性，保證運動過程的安全性；

——利用傳感器監測人體與服裝面料之間的溫度和濕度。一旦到達系統設定的使人體不舒服的溫度和濕度時，小風扇會自動工作，使人體快速排汗，減輕黏濕帶來的不適感。

這款服裝涉及的主要元件：溫度傳感器、濕度傳感器、柔性面板、柔性電源、小風扇和LED燈。為了權衡這些元件的位置關系，需要考慮服裝的質量、穿著背景等多種因素，元件的嵌入部位可參考圖8所示方案。

圖8　一款夜跑服的元件系統設計

方案中將柔性電池放置于后身下擺處，這是因為該部位與人體皮膚接觸較少，且柔性電源大多質量較小，不會給人體造成下墜感，同時也增加了美觀性。

在初步設計出智能服裝的樣衣后，需對服裝的舒適性進行主觀評價試驗，可以請若干被試者在恒溫、恒濕的條件下[如試驗環境條件:溫度(25±0.2)℃,相對濕度(65±2)%,風速小于1 m/s]穿著服裝，并對整體舒適性進行量表評價。如可制定李克特5級量表(圖9)，讓被試者受試一定時間后打分。

圖9量表

3.3連接方式

柔性儲能元件嵌入服裝的方式因材料而異，一般的柔性鋰離子電池和太陽能電池大多為薄膜狀，呈平面板狀形態，嵌入服裝過程中，平面方向上受空間限制，降低了服裝的穿著舒適性。

柔性太陽能電池與服裝結合時，可研發具有光電轉換功能的纖維狀電池單體，然后對這些纖維狀電池單體進行織造，形成電池織物，就像研發的柔性微型超級電容器一樣，通過系統集成形成供電模塊[23]。

有的柔性儲能元件本身呈線狀，或者薄膜基底是纖維狀的，可直接與服裝進行連接。

3.4儲能

不同種類的柔性儲能元件本身儲能不同。柔性電源應用于服裝時，需充分考慮電源的用途，配制功率合適、儲能大小合適的產品。

如印刷用的鋅離子電池本身不具備可反復充電性，且成本很低，因此適用于一次性的舞臺服裝等。而有些服裝會要求加一些大功率的耗電設備時，就需要利用超級電容器類的儲能設備，以達到基本的電能輸出要求。

4　小結

通過對不同種類柔性儲能元件的介紹及智能服裝開發前景的分析可知，應用在服裝上的柔性儲能元件具有很大的市場前景，需要科學家進行深度開發，將柔性電源搭配其他柔性設備更好地服務于智能服裝。

開發新的柔性儲能設備時，應充分考慮以下幾方面，以達到更好地適應智能服裝的目的。

——分析所設計的智能服裝的應用條件，尋找合適的柔性電源；

——明確服裝的款式和定位，確定最好的嵌入部位方案；

——充分利用現有的柔性儲能元件，實現與服裝的完美連接；

——分析服裝的耗電量和功率，尋找合適的柔性儲能元件。

相信不久的將來，將有越來越多的智能服裝投入市場，柔性儲能元件將在智能服裝中發揮越來越大的作用，為穿著者提供舒適的體驗。

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Application analysis of new flexible energy-storage elements used in clothing

Feng Jiaomei，Liu Yongmei

Fashion·Art Design Institute,Donghua University,Shanghai/China

Electric sources which were indispensable to intelligent clothing greatly influenced the clothing comfortable.The thin and small power used in intelligent clothing could greatly improve the performance of clothing.The flexibility of energy storage elements was significant of the design and research of intelligent clothing.In order to explore the feasibility of the application of the flexible storage devices in clothing,the flexible energy storage equipment available was classified.The current situation of the development of all kinds of flexible energy storage devices was summarized,and the application conditions in clothing,embedded parts,connection modes and the size of energy storage were analyzed.Some problems of flexible energy storage elements used in clothing were put forward.

flexible energy-storage element; flexible battery; intelligent clothing; lithium ion battery; solar cell; zinc ion battery; supercapacitor