电子皮肤能源器件
随着电子皮肤器件的发展，它将越来越多地被用于人体健康的长期监测。大部分器件在工作的过程中需要消耗能量，以实现生理信号的识别与记录、物理与化学刺激的传感、药物的控制释放等功能。这就要求实现器件的不间断供能。为达到这一目的，研究人员将可拉伸的能源存储器件（如超级电容器、锂离子电池等）或能源转换器件（如太阳能电池、纳米发电机等）集成到电子皮肤中，进一步拓展了电子皮肤器件的应用范围。
超级电容器是一种通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件，具有充放电速度快、功率密度高、工作寿命长等优势，受到人们的广泛关注。通常，超级电容器由三个部分组成：电极、电解质及阻隔层，其中材料结构与材料的电化学性质显著影响超级电容器的性能。目前，已有多种具有可拉伸性的材料被用于制备超级电容器，如碳纳米管、碳纤维、石墨烯、金属纳米线等。根据应用需求，可将超级电容器设计为一维、二维、三维结构。例如Peng等人设计制备了一维纤维状的超级电容器，他们首先将一层碳纳米管组装到弹性纤维表面，然后组装一层凝胶电解质；最后在最外层覆盖一层碳纳米管，由此形成同轴纤维状超级电容器，可用于编织智能织物及电子皮肤器件。Wei等人利用碳纳米管薄膜作为电极，电纺丝聚氨酯纤维膜作为阻隔层，以PDMS作为弹性基底，构建了二维超级电容器。该器件在反复拉伸和充、放电过程中表现出非常好的稳定性，可用在电子皮肤器件中，即使人体在长时间运动中，也可稳定地为其他传感器件提供能源。Niu等人在2016年报道了一例基于聚苯胺、碳纳米管和海绵电极的三维固态超级电容器。他们通过重复蘸涂-干燥的方法将碳纳米管负载到电极的海绵式骨架上，然后在其表面聚合苯胺，获得了具有可逆压缩-回复性能的超级电容器。当其形变量超过60％时，该器件仍能保持几乎不变的电容量。
除了超级电容器外，还可将柔性电池直接集成到电子皮肤器件中，为其提供能源。相对于超级电容器，电池具有更高的能量，更加适合于需要长期工作的电子皮肤器件。锂离子电池由于具有轻便、能量高等优势，已得到非常广泛的应用。为了满足电子皮肤应用的需求，柔性锂离子电池获得了快速发展。目前，研究热点集中在将电解质材料（如LiCoO2，LiMn2 O4，Li4Ti5O12等）和电极材料进行柔性化设计。类似于超级电容器，可将锂离子电池设计为一维纤维状、二维片状以及三维多孔状等，并且在结构上采取褶皱、弯曲、蛇形等设计，使锂离子电池具有较好的可拉伸性。Huang和Rogers团队报道了柔性锂离子电池的设计方法，该电池以柔性硅橡胶作为基底，在双向拉伸量达300％时，其电量密度仍能达到1.1 mA·h·cm-2。更为重要的是，该柔性锂离子电池中还可集成柔性的无线充电系统，为电池的长期使用提供保障，从而为电子皮肤器件及其他可移植器件提供稳定的能源。
随着电池领域的快速发展，研究人员已开发出多种便携电池，例如锌-空气电池、铝-空气电池等。从理论上讲，这些金属-空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，更加适合为电子皮肤器件提供能源。例如，Peng等人利用碳纳米管制备了弹簧状的阴极，构建了纤维状的柔性锌-空气电池。该电池在高电流密度下表现出优异的充、放电性能，非常适合为小型设备供能。该纤维状的电池可用于纺织成织物，用于电子皮肤、智能手表等。
此外，太阳能电池的快速发展为电子皮肤器件的供能也提供了更多的选择。然而，太阳能电池在电子皮肤方面的应用也受到一些限制，例如当电子皮肤应用到人体时，光源的可获得性和光源的强度受到限制。此外，太阳能电池材料主要是刚性材料，可用于柔性太阳能电池的材料还较少。目前，基于有机光伏材料，研究人员已开发出多种柔性太阳能电池。例如，利用聚噻吩类材料与富勒烯衍生物进行复合，可获得柔性非常好的太阳能电池。该类电池可与皮肤保持紧密贴合，重复充、放电1000次后仍能保持稳定的能源供给。类似于金属-空气电池，太阳能电池也可设计为一维纤维状，由此获得更好的拉伸性，并且可通过纺织来制备多种形式的织物，大大促进了电子皮肤、可穿戴器件的发展。(https://www.daowen.com)
近年来，研究人员发展了多种纳米发电机，从人体运动（如心跳、血流、行走、呼吸、肌肉伸缩等）中获取机械能并将其转变为电能，从而为可穿戴器件提供能源。目前，柔性纳米发电器件主要有两种：纳米压电器件和纳米摩擦电器件。
对于压电器件，其中的压电材料在外力作用下发生形变时，内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面出现正负相反的电荷。基于该原理，Baik等人在柔性PDMS基底上集成了压电单元（图10-11（a）），制备了柔性压电器件。他们首先将聚苯乙烯小球沉积在二氧化硅基底上作为模板，然后将压电材料（如氧化锌、锆钛酸铅等）沉积到小球表面，在灼烧除去聚苯乙烯小球模板后，得到空心半球状的压电材料阵列；然后将其包埋进PDMS基底中，形成可拉伸的压电薄膜。该器件的输出电压可达到4 V，电流密度达到0.13μA·cm-2。通过多层压电材料的堆叠还可进一步提高输出电压和电流密度。
摩擦电器件基于摩擦起电和静电感应现象的耦合，两种材料之间发生摩擦时产生电荷，通过外力使电荷分离，由此形成电势差，经由外部电路即可形成电流。例如Bao和Kim团队利用PDMS和单壁碳纳米管制备了摩擦电器件，如图10-11（b）所示，该器件由多层结构组成，可在多种力学刺激（如压力、拉伸、弯曲、振动等）下产生电能。此外，该器件还可同时输出电阻和电容变化信号，实现对上述力学刺激的传感。这种同时具有供能和传感性能的器件可用于自供能电子皮肤器件，可长期监测人体温度、生理电信号、血压等生理指标的变化，在人体健康监测设备方面具有重要的应用价值。
图10-11 压电和摩擦电器件
（a）基于空心半球状的压电材料阵列的柔性压电器件，可将手腕的弯曲运动转变为电能；（b）基于单壁碳纳米管的柔性摩擦电器件，可在弯曲时产生电能
Figure 10-11 Piezoelectric device and triboelectric device
（a）A flexible piezoelectric device based on a hollow hemispherical piezoelectric material array can convert the bending motion of the wrist into electrical energy；（b）A flexible triboelectric device based on single-walled carbon nanotubes can generate electricity when it is bent