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融合现代电子、电路和电源的能源高效智能系统已经迅速在广泛的应用中成为不可分割的一部分。在该工作中，作者提出了一个能源自主纸基功能模块的原型（Energy Autonomous Paper Module或Sustainable Paper Energy Chip），它由摩擦电能量采集器、电源管理电路、储能单元和后端功能电路组成。每个纸基模块都有其特定的功能，可以根据不同的场景单独使用、合并或替换/选择。纸基模块可以通过纸基摩擦纳米发电机（paper-TENG）将机械能转换为电能；转换后的交流输出可以输送到纸基电源管理电路（PMC）并转换为直流输出，以提高储能单元的充电效率；储存的电化学能可以成功地驱动后端功能（FC）电路模块（包括流水灯、温度/湿度传感器和无线发射器）。该能量自主的纸基模块的工作过程包含了整个系统的能量循环，从机械能的转换、电化学能量的存储和功能电路的能量利用（以光、热、电磁或机械能的形式）。能源自主功能纸模块为可持续和自适应的功能电路提出了新的范例，并为实现高效、经济和定制的集成电子和互补的自供电系统的发展扩展了更为宽广的道路。

近日，中科院北京纳米能源所孙其君研究员和王中林院士研究团队利用批量化激光雕刻技术提出了一种能量自主纸基模块和功能电路的原型。该原型集成了能量采集，能量转换，能量存储再到能量应用的过程，将摩擦电能量收集器、电源管理电路、储能单元和后端功能电路组合在一起。可持续功能纸基模块将从器件创新、技术革命和系统集成等方面引领未来科学技术领域的发展趋势。该成果以“Energy Autonomous Paper Module and Functional Circuits”为题近日发表在顶级期刊《Energy & Environmental Science》上，DOI: 10.1039/d2ee02557d。

图文导读

图1：能量自主纸基模块的示意图。(a)可持续功能纸基模块的示意图。(b)可持续纸基模块的能量循环图。可持续纸基模块各个部分照片：(c)纸基TENG和电源管理电路；(d)微型超级电容器；(e)功能电路模块。(f) CNT/Au混合电极和纸基界面之间的SEM图像。(g)CNT/Au混合电极的绝对电阻与电极宽度的关系。(h)CNT/Au混合电极在不同弯曲角度下的绝对电阻变化。

图2：纸基TENG模块的工作原理和输出特性。(a)接触分离模式下的纸质TENG的工作原理示意图。(b)COMSOL模拟纸基TENG中的摩擦电势。(c)在不同的接触分离频率下，纸基TENG的电学输出。(d)TENG的输出电流和功率密度对不同负载电阻的依赖。(e)用纸基TENG给商用电容充电。(f)纸基TENG同时点亮44个LED灯。

图3：纸基MSC模块的电化学特性和机械灵活性。(a)纸基MSC的实物图像。在(b)10-100 mV·s-1的慢扫描速率和(c)1-10 V·s-1的快扫描速率下得到的循环伏安（CV）曲线。（d）纸基MSC的倍率性能。(e)纸基 MSC在不同弯曲角度下的电容保持率。(f)纸基MSC在拉伸/压缩状态下经过1000次充/放电后的电容保持率。(g)纸基MSC的循环稳定性。并联和串联的纸基MSCs的(h)GCD曲线和(i)CV曲线。

图4：纸基PMC模块的示意图和工作原理。(a)纸基PMC模块的照片和电路图。(b)能量转换效率的测量。(c)功率转换效率的测量。(d)手掌拍打下的纸基TENG的最大输出功率。(e)纸基PMC模块的四个典型直流输出。(f)通过纸基PMC对纸基MSC充电的曲线。(g)通过PMC模块对锂电池进行充电/放电的曲线。

图5：能量自主纸基功能电路的演示。（a）能量自主纸基模块和功能电路的示意图。纸基功能电路的演示图片（b）流水灯（c）温湿度传感器（d）红外电路控制小车。

SI. 激光雕刻纸基版《将进酒》

视频1：激光雕刻纸基电路模块的过程。

视频2：流水灯纸基电路工作演示视频。

视频3：红外遥控器纸基电路演示视频

结论

纸基功能电路的模块化布局是统一的，并与激光雕刻工艺相兼容。 纸基TENG模块可以将机械能转换为电能（功率密度为3.25 W·m-2）； PMC模块可以有效地将TENG的交流输入调节为稳定和持续的直流输出，以提高充电/供电效率（能量和功率转换效率为88.9%和53.6%）。 纸基MSC模块则表现出良好的倍率性能（比电容保持率为90.5%）以及机械稳定性（超过1000次弯曲），以及电容保持性能（超过20000次循环测试）； 最后，纸基功能电路演示了流水灯、温度/湿度传感器和红外遥控器的模块化功能。 受益于模块化设计，这些可持续发展的纸基模块可以单独工作，也可以集成在一起，实现特定的应用。

展望

可持续功能纸基模块将从器件创新、技术革命和系统集成等方面引领未来科学技术领域的发展趋势。

（1）结构设计：纸基衬底材料是可折叠的、可裁剪的、可设计成任意形状的，通过引入剪纸或折纸技术，有望将能量自主纸基模块扩展到复杂可拉伸或三维曲面上。相应的拓扑结构的电极布局匹配相应的导电材料以及工艺技术可实现更加实际、高效的应用。

（2）材料开发：在纸基衬底上优化能量采集器和储能装置的活性材料，可以进一步提高纸基模块的性能，从而实现功能电子更广泛的应用。此外，在纸基上选择具有兼容电阻、电容和电感材料，有助于移除商业化的刚性电子元件（如电阻、电容、电感）。同时，进一步开发高性能的半导体沟道材料（用于晶体管、存储器、逻辑电路和微处理器）或有源传感材料（用于环境或生理传感器），并与当前造纸业的加工技术相结合，为纸基模块提供潜在的逻辑功能和处理能力，这可能有助于进一步取代逻辑/处理器件（如MCU），并制造出更加灵活的纸基模块。

（3）能源供给：选择具有互补特性能量收集装置（如压电、热电、摩擦电发电机，光伏/生物燃料电池，或混合型能量采集器）广泛用于能量自主纸基模块，以提高能源供应效率。

（4）制造过程：在造纸的生产线上增加集成各种功能器件和电路的可能性，赋予传统纸基电子器件的新功能，具有重大意义。相关的制造技术或混合加工方法（例如，激光雕刻、喷墨打印、卷对卷图案设计）。开发相关的制造策略或混合加工方法（如激光雕刻、喷墨打印、卷对卷图案、软光刻技术），从而实现功能性纸基模块的廉价和大规模生产。

来源：高分子科学前沿

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