中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：科技的進(jìn)步，智能化熱潮的風(fēng)靡，也讓電子設(shè)備變得愈加豐富多彩。智能硬件、智能手機(jī)、智能可穿戴設(shè)備也是近年來(lái)的潮流，尤其是電子技術(shù)的快速進(jìn)步，更是讓這些電子設(shè)備朝著輕薄化、多樣化、多元化、柔性化方向發(fā)展，例如2017年流行的全面屏手機(jī)。而在今年，像三星蘋果等廠商更是計(jì)劃研制可折疊、可彎曲的新一代柔性電子產(chǎn)品。
這種充滿未來(lái)科幻感的柔性電子產(chǎn)品頻繁的出現(xiàn)在各種電子展會(huì)當(dāng)中，滿足大眾對(duì)電子產(chǎn)品科技感的想象同時(shí)，也指引了電子產(chǎn)品的發(fā)展方向，柔性電子顯然是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。
值得一提的是，柔性電子曾被評(píng)為世界十大科技成果之一，更是預(yù)測(cè)其將帶來(lái)一場(chǎng)電子技術(shù)革命。如今，這場(chǎng)電子技術(shù)革命在市場(chǎng)的推動(dòng)下已經(jīng)悄然來(lái)臨，根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IDTechEx預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2018年柔性電子市場(chǎng)為469.4億美元，到2028年將達(dá)到3010億美元，2011年至2028年間年復(fù)合增長(zhǎng)率近30%。
廣闊的市場(chǎng)前景助推下，柔性電子技術(shù)發(fā)展也是日新月異，其中柔性電子發(fā)展最大的挑戰(zhàn)就是與之相適應(yīng)的柔性儲(chǔ)能器件。傳統(tǒng)的鋰電池、超級(jí)電容器是剛性的，在彎曲、折疊時(shí)，容易造成電極材料和集流體分離，影響電化學(xué)性能，甚至導(dǎo)致短路，發(fā)生嚴(yán)重的安全問(wèn)題。
因此，為了適應(yīng)下一代柔性電子設(shè)備的發(fā)展，柔性儲(chǔ)能器件成為了近幾年的研究熱點(diǎn)。OFweek電子工程網(wǎng)小編盤點(diǎn)了近期柔性儲(chǔ)能十大技術(shù)突破，幫助大家了解柔性儲(chǔ)能的發(fā)展現(xiàn)狀。
1.柔性多功能雙極性全固態(tài)鋰離子電池
2017年10月18日媒體報(bào)道稱，韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)與技術(shù)研究院研發(fā)了一種新的柔性多功能雙極性全固態(tài)鋰離子電池，解決了基于無(wú)機(jī)電解質(zhì)的雙極性鋰離子電池常見的問(wèn)題。
據(jù)了解，研究人員通過(guò)無(wú)溶劑干燥和紫外線固化輔助多級(jí)印刷技術(shù)制備出雙極性LIB，并開發(fā)了一種新型的柔性不易燃凝膠電解質(zhì)，從而將其作為核心元件用于印刷電極和印刷固態(tài)凝膠復(fù)合電解質(zhì)。而該多級(jí)印刷的雙極性電池制備技術(shù)作為一種高效、可擴(kuò)展的技術(shù)，將雙極性全固態(tài)電池的發(fā)展推向商業(yè)化，具有巨大的應(yīng)用前景。
編輯點(diǎn)評(píng)：鋰離子電池并不少見，現(xiàn)在主流電子都是使用鋰電池，不過(guò)該項(xiàng)技術(shù)可以打破鋰電池一直以來(lái)剛性的特點(diǎn)，做到柔性多功能雙極性無(wú)疑是非常大的技術(shù)突破。
2.紙質(zhì)柔性超級(jí)電容器
2017年10月24日，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助理教授Seung Woo Lee和高麗大學(xué)化學(xué)與生物工程系的Jinhan Cho共同研發(fā)了一種紙質(zhì)柔性超級(jí)電容器。該超級(jí)電容器使用金屬納米顆粒在紙中涂覆纖維素纖維，創(chuàng)造出具備高能量和高功率密度的超級(jí)電容器電極，實(shí)現(xiàn)了迄今為止具備最佳性能的基于紡織品的超級(jí)電容器。
通過(guò)研究測(cè)試表明，使用該技術(shù)制造的電容器可以折疊數(shù)千次而不影響電導(dǎo)率。除此之外，這種金屬紙張超級(jí)電容器的最大功率和能量密度分別達(dá)到15.1mW/cm2和267.3uW/cm2，基本上優(yōu)于常規(guī)紙質(zhì)或紡織超級(jí)電容器。
而它的應(yīng)用場(chǎng)景也非常豐富，支持可穿戴設(shè)備、便攜性電子產(chǎn)品等，還可以將柔性電容器與能量收集裝置結(jié)合，為生物醫(yī)學(xué)傳感器、消費(fèi)電子和軍用電子產(chǎn)品等應(yīng)用供電。
編輯點(diǎn)評(píng)：與鋰電池同理，超級(jí)電容器也是剛性的，不易彎曲和折疊。不過(guò)該技術(shù)從材料的另外一種角度出發(fā)，打破常規(guī)，研發(fā)出了基于紡織品的紙質(zhì)柔性超級(jí)電容器。如果能夠進(jìn)一步解決問(wèn)題，做到商用，那么很可能會(huì)帶來(lái)變革。
3.石墨炔高性能柔性電池
2017年10月27日，這一次輪到中國(guó)技術(shù)大展神威。中科院青島生物能源與過(guò)程研究所新型能源碳素材料團(tuán)隊(duì)與中科院化學(xué)研究所合作，研發(fā)了一種石墨炔基分子材料，改變了傳統(tǒng)的電池材料觀念，實(shí)現(xiàn)了高性能柔性電池的制備。
據(jù)了解，該材料在鈉離子電池的測(cè)試研究中所展現(xiàn)的電化學(xué)儲(chǔ)鈉能力在同類材料中具有領(lǐng)先地位，完全可能成為新一代高性能、柔性儲(chǔ)能電池。為我國(guó)未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能器件的研究帶來(lái)了新視角和新理念，將積極地推動(dòng)我國(guó)十三五新能源和新材料研究規(guī)劃進(jìn)展。
編輯點(diǎn)評(píng)：石墨炔是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料，具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)為是最穩(wěn)定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔有望可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。
4.纖維型類固態(tài)鋰離子柔性電池
2017年11月20日，馬里蘭大學(xué)胡良兵研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制備了纖維型類固態(tài)鋰離子柔性電池。該電池可在彎曲狀態(tài)下保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能，未來(lái)可與普通織物結(jié)合，作為可穿戴電子器件的重要能源存儲(chǔ)設(shè)備。
值得一提的是，相比起其它復(fù)雜精密的技術(shù)，這種制備方法非常簡(jiǎn)單快速。也許其在其它方面還不夠完善，但是其提供了量產(chǎn)柔性鋰離子電池的新思路，也可有效的應(yīng)用于其他活性材料體系的柔性一維電池。
編輯點(diǎn)評(píng)：利用3D打印技術(shù)不得不說(shuō)是一種新的思路，3D打印技術(shù)近年來(lái)非常流行，而且其成本和制作成都也都非常方便快速。對(duì)于柔性儲(chǔ)能器件行業(yè)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)值得思考的方向。
5.柔性固態(tài)超級(jí)電容器
2017年12月12日，中國(guó)科學(xué)院電工研究所超導(dǎo)與能源新材料研究部馬衍偉課題組采用多級(jí)次石墨烯復(fù)合電極與離子液體凝膠聚合物電解質(zhì)，首次開發(fā)出具有3.5V電壓窗口的高能量密度柔性固態(tài)超級(jí)電容器。據(jù)了解，該研究是電工所團(tuán)隊(duì)與西南石油大學(xué)教授葛性波合作完成。
據(jù)悉，研究人員通過(guò)調(diào)控電極的微觀結(jié)構(gòu)和引入離子液體凝膠電解質(zhì)，成功制備出具有寬電壓窗口的柔性固態(tài)超級(jí)電容器，有效提升了器件的能量密度。該柔性固態(tài)超級(jí)電容器充放電10000次循環(huán)后，容量仍然可以保持85%以上，連續(xù)彎折1000次后容量仍可以保持88%，具有良好的電化學(xué)性能和優(yōu)異的力學(xué)耐彎折性能。
編輯點(diǎn)評(píng)：石墨烯材料并不陌生，市場(chǎng)上對(duì)于石墨烯電池的概念也是耳熟能詳，不過(guò)目前一直處于技術(shù)研發(fā)狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)突破，為今后提高柔性固態(tài)超級(jí)電容器的能量密度提供了一種有效策略。
6.柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率超過(guò)17%
2017年12月13日，西安交通大學(xué)電信學(xué)院吳朝新教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種通過(guò)簡(jiǎn)單方法，就可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，得到了光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)19.44%的反型平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
據(jù)了解，研究人員通過(guò)旋涂制備好鈣鈦礦薄膜后，使用硫氰酸銨后處理，鈣鈦礦薄膜經(jīng)過(guò)分解，再重新結(jié)晶的過(guò)程，形成了晶粒更大，結(jié)晶性更好，缺陷更少的鈣鈦礦薄膜。將該方法應(yīng)用到柔性電池中，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率為17.04%的高效率反型平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦柔性電池，位于國(guó)際最高柔性薄膜太陽(yáng)能電池效率之列。
編輯點(diǎn)評(píng)：技術(shù)的突破就是不斷的尋找更加簡(jiǎn)潔有效的解決方案，西安交大吳朝新教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的這種方法，成功的將國(guó)內(nèi)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率推上了世界頂尖水平。
7.可拉伸生物柔性電池
2017年12月16日，賓厄姆頓大學(xué)的一個(gè)研究小組研發(fā)一種完全使用紡織物生產(chǎn)的細(xì)菌生物能源電池，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)完全由紡織物制作的生物電池，可以產(chǎn)生類似于使用這種電池之前的紙基微生物燃料電池產(chǎn)生的最大功率。
研究人員表示稱，柔性紡織電池基于低成本的石墨烯材料制成，外部采用簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，電極會(huì)因?yàn)橛湍图徔椘分g的強(qiáng)烈相互作用而表現(xiàn)得非常穩(wěn)定，并具有良好的操作安全性和很長(zhǎng)的循環(huán)壽命，電池本身還支持快速充電，柔性材料允許水洗。在重復(fù)拉伸和循環(huán)扭轉(zhuǎn)作用下，這些完全依靠紡織物制成的生物材料具有穩(wěn)定的發(fā)電能力。
編輯點(diǎn)評(píng)：這種可伸縮、可彎曲的能源動(dòng)力裝置可以為紡織物制生物材料搭建標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，未來(lái)有望應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品。并且對(duì)比起柔性電池，可拉伸彎曲的生物柔性電池可以應(yīng)用在各種不規(guī)則電子產(chǎn)品當(dāng)中。
8.柔性鋁石墨烯電池
2017年12月25日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超團(tuán)隊(duì)研制出新型鋁石墨烯電池，研究人員提出石墨烯正極材料的“三高三連續(xù)”設(shè)計(jì)原則讓鋁石墨烯電池的性能向前邁出一大步。
據(jù)了解，該鋁石墨烯電池是柔性電池，將它彎折一萬(wàn)次后，也能完全保持容量，并且充電速度飛快，只需要幾秒時(shí)間就可以完成充電。而其續(xù)航能力也非常強(qiáng)，可以循環(huán)充放25萬(wàn)次后依然電力十足。
除此之外，這種電池既耐高溫又抗嚴(yán)寒，可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環(huán)境中工作。在零下30攝氏度的環(huán)境中，這種新型電池能實(shí)現(xiàn)1000次充放電性能不減，而在100攝氏度的環(huán)境中，它能實(shí)現(xiàn)4.5萬(wàn)次穩(wěn)定循環(huán)，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。
編輯點(diǎn)評(píng)：耐寒、高續(xù)航、充電速度快，柔性等特點(diǎn)，注定了是未來(lái)智能手機(jī)或智能可穿戴深度完美“搭檔”。最大挑戰(zhàn)無(wú)疑就是解決技術(shù)上的難題，做到量產(chǎn)落地商用。
9.“印刷術(shù)”突破鈣鈦礦柔性太陽(yáng)能電池難題
2018年1月5日，新年伊始，柔性儲(chǔ)能科研領(lǐng)域就傳來(lái)好的消息。中科院化學(xué)所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋延林課題組利用“印刷術(shù)”突破了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池難題，成功制備厚度和柔韌程度與一張雜志紙差不多的鈣鈦礦柔性太陽(yáng)能電池，有望為柔性可穿戴電子設(shè)備提供可靠電源。
難以想象，中國(guó)古老的四大發(fā)明之一的“印刷術(shù)”也開始在新時(shí)代煥發(fā)生機(jī)。該研究小組通過(guò)納米組裝印刷方式制備了鈣鈦礦的蜂巢狀納米支架，并在其內(nèi)部搭建起“光學(xué)諧振腔”，這兩項(xiàng)創(chuàng)新同時(shí)提高了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池力學(xué)穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率。
編輯點(diǎn)評(píng)：據(jù)了解，該項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的雜志紙大小的鈣鈦礦柔性太陽(yáng)能電池可以運(yùn)用在可穿戴設(shè)備，甚至衣服、汽車玻璃貼膜等地方，通過(guò)吸收太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化的電量給其他設(shè)備充電，既環(huán)保又實(shí)用。
10.新型柔性透明電極
2018年1月12日，南京郵電大學(xué)賴文勇教授課題組與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所蘇文明研究員課題組合作，創(chuàng)新性地提出導(dǎo)電聚合物網(wǎng)格電極的設(shè)計(jì)思路，研制出一種綜合性能優(yōu)異的新型柔性透明電極。并建立了簡(jiǎn)易的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，克服了低成本大面積制備難題，用其作為陽(yáng)極制備的有機(jī)電致發(fā)光器件與采用氧化銦錫(ITO)玻璃陽(yáng)極的器件相比電流效率提高了1.56倍。
該電極具有高柔性、高導(dǎo)電、高透光特征，并具有突出的化學(xué)穩(wěn)定性，可低成本制作以及圖案化制作，可以作為透明薄膜電極取代ITO透明電極廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑柔性有機(jī)電致發(fā)光器件、柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池器件、柔性有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件以及柔性儲(chǔ)能器件等。
編輯點(diǎn)評(píng)：全球發(fā)達(dá)國(guó)家都在柔性儲(chǔ)能領(lǐng)域上發(fā)力，中國(guó)在該領(lǐng)域上也是站到了世界前列，在近期也是頻繁傳出技術(shù)上的突破的好消息。
總結(jié)
柔性電子是未來(lái)電子產(chǎn)品的重要發(fā)展方向之一，因此解決柔性儲(chǔ)能器件問(wèn)題刻不容緩，在資本和國(guó)家政策的支持下，新的一年勢(shì)必會(huì)有所重大的技術(shù)突破。當(dāng)然，現(xiàn)在想要實(shí)現(xiàn)柔性儲(chǔ)能器件的實(shí)際應(yīng)用還有很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，還離不開科研人員的努力。
