盤點(diǎn)柔性儲能十大技術(shù)突破

2018-01-30 08:47:03 OFweek電子工程網(wǎng) 　點(diǎn)擊量：評論 (0)

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)備也是近年來的潮流，尤其是電子技術(shù)

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。

這種充滿未來科幻感的柔性電子產(chǎn)品頻繁的出現(xiàn)在各種電子展會當(dāng)中，滿足大眾對電子產(chǎn)品科技感的想象同時，也指引了電子產(chǎn)品的發(fā)展方向，柔性電子顯然是未來發(fā)展趨勢之一。

值得一提的是，柔性電子曾被評為世界十大科技成果之一，更是預(yù)測其將帶來一場電子技術(shù)革命。如今，這場電子技術(shù)革命在市場的推動下已經(jīng)悄然來臨，根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IDTechEx預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，2018年柔性電子市場為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)合增長率近30%。

  廣闊的市場前景助推下，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)的柔性儲能器件。傳統(tǒng)的鋰電池、超級電容器是剛性的，在彎曲、折疊時，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)了近期柔性儲能十大技術(shù)突破，幫助大家了解柔性儲能的發(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，韓國蔚山國家科學(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，解決了基于無機(jī)電解質(zhì)的雙極性鋰離子電池常見的問題。

  據(jù)了解，研究人員通過無溶劑干燥和紫外線固化輔助多級印刷技術(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：鋰離子電池并不少見，現(xiàn)在主流電子都是使用鋰電池，不過該項(xiàng)技術(shù)可以打破鋰電池一直以來剛性的特點(diǎn)，做到柔性多功能雙極性無疑是非常大的技術(shù)突破。

2.紙質(zhì)柔性超級電容器

  2017年10月24日，美國佐治亞理工學(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)柔性超級電容器。該超級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電容器。

  通過研究測試表明，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)或紡織超級電容器。

  而它的應(yīng)用場景也非常豐富，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：與鋰電池同理，超級電容器也是剛性的，不易彎曲和折疊。不過該技術(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)柔性超級電容器。如果能夠進(jìn)一步解決問題，做到商用，那么很可能會帶來變革。

3.石墨炔高性能柔性電池

  2017年10月27日，這一次輪到中國技術(shù)大展神威。中科院青島生物能源與過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試研究中所展現(xiàn)的電化學(xué)儲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、柔性儲能電池。為我國未來電化學(xué)儲能器件的研究帶來了新視角和新理念，將積極地推動我國十三五新能源和新材料研究規(guī)劃進(jìn)展。

  編輯點(diǎn)評：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：利用3D打印技術(shù)不得不說是一種新的思路，3D打印技術(shù)近年來非常流行，而且其成本和制作成都也都非常方便快速。對于柔性儲能器件行業(yè)來說，是一個值得思考的方向。

5.柔性固態(tài)超級電容器

  2017年12月12日，中國科學(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)超級電容器，有效提升了器件的能量密度。該柔性固態(tài)超級電容器充放電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：石墨烯材料并不陌生，市場上對于石墨烯電池的概念也是耳熟能詳，不過目前一直處于技術(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.柔性鈣鈦礦太陽能電池效率超過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)一種通過簡單方法，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)鈣鈦礦太陽能電池。

  據(jù)了解，研究人員通過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)過分解，再重新結(jié)晶的過程，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，位于國際最高柔性薄膜太陽能電池效率之列。

  編輯點(diǎn)評：技術(shù)的突破就是不斷的尋找更加簡潔有效的解決方案，西安交大吳朝新教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的這種方法，成功的將國內(nèi)柔性鈣鈦礦太陽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，通過創(chuàng)建一個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，外部采用簡單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，電極會因?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：這種可伸縮、可彎曲的能源動力裝置可以為紡織物制生物材料搭建標(biāo)準(zhǔn)化平臺，未來有望應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品。并且對比起柔性電池，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，將它彎折一萬次后，也能完全保持容量，并且充電速度飛快，只需要幾秒時間就可以完成充電。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)4.5萬次穩(wěn)定循環(huán)，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

  編輯點(diǎn)評：耐寒、高續(xù)航、充電速度快，柔性等特點(diǎn)，注定了是未來智能手機(jī)或智能可穿戴深度完美“搭檔”。最大挑戰(zhàn)無疑就是解決技術(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能電池難題

  2018年1月5日，新年伊始，柔性儲能科研領(lǐng)域就傳來好的消息。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，中國古老的四大發(fā)明之一的“印刷術(shù)”也開始在新時代煥發(fā)生機(jī)。該研究小組通過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)新同時提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池力學(xué)穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率。

  編輯點(diǎn)評：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，通過吸收太陽光轉(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)太陽能電池器件、柔性有機(jī)場效應(yīng)晶體管器件以及柔性儲能器件等。

  編輯點(diǎn)評：全球發(fā)達(dá)國家都在柔性儲能領(lǐng)域上發(fā)力，中國在該領(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)

  柔性電子是未來電子產(chǎn)品的重要發(fā)展方向之一，因此解決柔性儲能器件問題刻不容緩，在資本和國家政策的支持下，新的一年勢必會有所重大的技術(shù)突破。當(dāng)然，現(xiàn)在想要實(shí)現(xiàn)柔性儲能器件的實(shí)際應(yīng)用還有很多問題和挑戰(zhàn)，還離不開科研人員的努力。

責(zé)任編輯：售電衡衡

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