可穿戴技術的能源供應挑戰與標準化發展

certgrouppub
3月10日
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可穿戴設備（Wearables）已廣泛應用於智慧服飾、腕帶及指環等領域，並在醫療領域中發揮關鍵作用，用於遠端監測及治療病患；然而，這些設備的供電技術仍面臨挑戰，正如《國家科學評論》（National Science Review）所指出的：「隨著可穿戴電子設備需求的增長，對可穿戴電源的需求也隨之增加。」

柔性電池的發展

傳統上，可穿戴技術主要依賴鋰離子（Li-ion）電池供電，然而，柔性電池的研究早在1990年代就已開始發展，根據技術諮詢公司IDTechEx的報告，自2014年起，可穿戴市場的興起才讓柔性電池技術找到了實際用途，然而，早期的柔性電池技術並不理想，因為「初期的柔性電池多為薄膜、印刷電池，且往往不可充電，容量與功率也偏低。」

近年來，柔性電池技術已有所突破，並在智慧標籤市場找到了應用，例如：使用薄膜電池來監測貨物在運輸或儲存過程中的溫度，此外，柔性陶瓷與聚合物電解質、膨脹凝膠聚合物電解質等技術也在積極發展中，目標是推動其在消費性可穿戴設備上的應用。然而，這些技術仍處於早期發展階段。

雖然柔性電池的容量和功率相較初期技術已有提升，但確保穩定（即不中斷）且高功率的能源供應仍是可穿戴市場的關鍵需求，由於可穿戴設備日趨小型化，對於電池的設計要求也越來越高，例如：鋰聚合物（LiPo）電池的可充電技術，使得電池設計更加靈活，能夠適應更小型的設備。

標準化如何促進可穿戴電池發展

國際電工委員會（IEC）發布多項標準，確保鋰離子電池及其充電系統的安全與性能。以下是一些關鍵標準：

IEC 63370：由**IEC技術委員會21（TC 21）**制定，規範鋰離子電池及充電系統的安全標準。
IECEE（IEC電子設備與元件的合格評定系統）：負責測試電池的安全性、性能、元件互通性、能源效率、電磁相容性及有害物質含量。

此外，IEC TC 119 負責可穿戴柔性電子技術標準化，涵蓋材料與印刷技術，適用於柔性設備的製造。例如：

IEC TC 119 發布的標準涉及：
- 可拉伸基板與塗層
- 導電與絕緣油墨
- 噴墨印刷技術及其可印刷性測試

而IEC TC 47則制定與可穿戴設備感測器相關的標準，如：

IEC 62951-2：規範柔性與可拉伸半導體元件。

IEC也設立了專門針對可穿戴設備的標準化委員會IEC TC 124，與TC 119合作制定適用於可穿戴感測貼片或OLED顯示器的標準。

IEC TC 124的專家之一Andreas Willert表示：「我們的標準制定工作面臨的挑戰之一，是可穿戴市場技術發展迅速且產品種類繁多，標準的制定時間可能比某些特定設備的流行周期還長。因此，我們將重點放在基礎技術，如油墨、印刷技術與印刷圖案等，這些可應用於各類可穿戴設備，甚至擴展到其他市場。」

能量收集技術的興起與挑戰

近年來，能量收集技術（Energy Harvesting）在可穿戴設備領域引起關注，此類技術利用人體運動、熱能或汗液發電，使設備能夠自供電，無需傳統電池，並且具有環保優勢；然而，該技術仍面臨諸多挑戰：

發電量低，難以滿足現有應用的需求
- 例如，通過人體運動或汗液轉換的能量水平有限，難以持續為高功耗設備提供足夠的電力。
- 轉換效率低，例如從機械運動或汗液轉換的電能比例有限，難以確保穩定電源供應。
不同能量收集技術的應用限制
- 壓電發電（Piezoelectric Energy Harvesting）：利用某些晶體、陶瓷或生物材料（如骨骼、DNA、蛋白質）在機械壓力作用下產生電荷，適用於小型設備，且已被廣泛研究。
- 摩擦電效應（Triboelectric Energy Harvesting）：透過材料間摩擦產生電荷，但目前尚未能達到商業應用所需的穩定性與耐用性。
- 熱電轉換（Thermoelectric Energy Harvesting）：透過溫差轉換電能，但受限於人體表面溫度變化有限，發電效率較低。
- 生物催化電能轉換（Electro-biocatalytic Energy Conversion）：研究中，仍未大規模商業化。