盤點：柔性儲能十大技術突破：改變智能硬體的未來

來源：OFweek電子工程

作者：郭明偉

科技的進步，智能化熱潮的風靡，也讓電子設備變得愈加豐富多彩。智能硬體、智能手機、智能可穿戴設備也是近年來的潮流，尤其是電子技術的快速進步，更是讓這些電子設備朝著輕薄化、多樣化、多元化、柔性化方向發展，例如2017年流行的全面屏手機。而在今年，像三星蘋果等廠商更是計劃研製可摺疊、可彎曲的新一代柔性電子產品。

這種充滿未來科幻感的柔性電子產品頻繁的出現在各種電子展會當中，滿足大眾對電子產品科技感的想像同時，也指引了電子產品的發展方向，柔性電子顯然是未來發展趨勢之一。

值得一提的是，柔性電子曾被評為世界十大科技成果之一，更是預測其將帶來一場電子技術革命。如今，這場電子技術革命在市場的推動下已經悄然來臨，根據調研機構IDTechEx預測數據顯示，2018年柔性電子市場為469.4億美元，到2028年將達到3010億美元，2011年至2028年間年複合增長率近30%。

廣闊的市場前景助推下，柔性電子技術發展也是日新月異，其中柔性電子發展最大的挑戰就是與之相適應的柔性儲能器件。傳統的鋰電池、超級電容器是剛性的，在彎曲、摺疊時，容易造成電極材料和集流體分離，影響電化學性能，甚至導致短路，發生嚴重的安全問題。

因此，為了適應下一代柔性電子設備的發展，柔性儲能器件成為了近幾年的研究熱點。OFweek電子工程網小編盤點了近期柔性儲能十大技術突破，幫助大家了解柔性儲能的發展現狀。

1.柔性多功能雙極性全固態鋰離子電池

2017年10月18日媒體報道稱，韓國蔚山國家科學與技術研究院研發了一種新的柔性多功能雙極性全固態鋰離子電池，解決了基於無機電解質的雙極性鋰離子電池常見的問題。

據了解，研究人員通過無溶劑乾燥和紫外線固化輔助多級印刷技術製備出雙極性LIB，並開發了一種新型的柔性不易燃凝膠電解質，從而將其作為核心元件用於印刷電極和印刷固態凝膠複合電解質。而該多級印刷的雙極性電池製備技術作為一種高效、可擴展的技術，將雙極性全固態電池的發展推向商業化，具有巨大的應用前景。

編輯點評：鋰離子電池並不少見，現在主流電子都是使用鋰電池，不過該項技術可以打破鋰電池一直以來剛性的特點，做到柔性多功能雙極性無疑是非常大的技術突破。

2.紙質柔性超級電容器

2017年10月24日，美國喬治亞理工學院機械工程學院助理教授Seung Woo Lee和高麗大學化學與生物工程系的Jinhan Cho共同研發了一種紙質柔性超級電容器。該超級電容器使用金屬納米顆粒在紙中塗覆纖維素纖維，創造出具備高能量和高功率密度的超級電容器電極，實現了迄今為止具備最佳性能的基於紡織品的超級電容器。

通過研究測試表明，使用該技術製造的電容器可以摺疊數千次而不影響電導率。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到15.1mW/cm2和267.3uW/cm2，基本上優於常規紙質或紡織超級電容器。

而它的應用場景也非常豐富，支持可穿戴設備、便攜性電子產品等，還可以將柔性電容器與能量收集裝置結合，為生物醫學感測器、消費電子和軍用電子產品等應用供電。

編輯點評：與鋰電池同理，超級電容器也是剛性的，不易彎曲和摺疊。不過該技術從材料的另外一種角度出發，打破常規，研發出了基於紡織品的紙質柔性超級電容器。如果能夠進一步解決問題，做到商用，那麼很可能會帶來變革。

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隊與中科院化學研究所合作，研發了一種石墨炔基分子材料，改變了傳統的電池材料觀念，實現了高性能柔性電池的製備。

據了解，該材料在鈉離子電池的測試研究中所展現的電化學儲鈉能力在同類材料中具有領先地位，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划進展。

編輯點評：石墨炔是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之後，一種新的全碳納米結構材料，具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性，被譽為是最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由於其特殊的電子結構及類似硅優異的半導體性能，石墨炔有望可以廣泛應用於電子、半導體以及新能源領域。

4.纖維型類固態鋰離子柔性電池

2017年11月20日，馬里蘭大學胡良兵研究團隊利用3D列印技術製備了纖維型類固態鋰離子柔性電池。該電池可在彎曲狀態下保持穩定的電化學性能，未來可與普通織物結合，作為可穿戴電子器件的重要能源存儲設備。

值得一提的是，相比起其它複雜精密的技術，這種製備方法非常簡單快速。也許其在其它方面還不夠完善，但是其提供了量產柔性鋰離子電池的新思路，也可有效的應用於其他活性材料體系的柔性一維電池。

編輯點評：利用3D列印技術不得不說是一種新的思路，3D列印技術近年來非常流行，而且其成本和製作成都也都非常方便快速。對於柔性儲能器件行業來說，是一個值得思考的方向。

5.柔性固態超級電容器

2017年12月12日，中國科學院電工研究所超導與能源新材料研究部馬衍偉課題組採用多級次石墨烯複合電極與離子液體凝膠聚合物電解質，首次開發出具有3.5V電壓窗口的高能量密度柔性固態超級電容器。據了解，該研究是電工所團隊與西南石油大學教授葛性波合作完成。

據悉，研究人員通過調控電極的微觀結構和引入離子液體凝膠電解質，成功製備出具有寬電壓窗口的柔性固態超級電容器，有效提升了器件的能量密度。該柔性固態超級電容器充放電10000次循環後，容量仍然可以保持85%以上，連續彎折1000次後容量仍可以保持88%，具有良好的電化學性能和優異的力學耐彎折性能。

編輯點評：石墨烯材料並不陌生，市場上對於石墨烯電池的概念也是耳熟能詳，不過目前一直處於技術研髮狀態。這項技術突破，為今後提高柔性固態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，西安交通大學電信學院吳朝新教授團隊發現一種通過簡單方法，就可以實現高質量的鈣鈦礦薄膜，得到了光電轉換效率高達19.44%的反型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池。

據了解，研究人員通過旋塗製備好鈣鈦礦薄膜後，使用硫氰酸銨後處理，鈣鈦礦薄膜經過分解，再重新結晶的過程，形成了晶粒更大，結晶性更好，缺陷更少的鈣鈦礦薄膜。將該方法應用到柔性電池中，實現了光電轉換效率為17.04%的高效率反型平面異質結鈣鈦礦柔性電池，位於國際最高柔性薄膜太陽能電池效率之列。

編輯點評：技術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隊發現的這種方法，成功的將國內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，賓厄姆頓大學的一個研究小組研發一種完全使用紡織物生產的細菌生物能源電池，通過創建一個完全由紡織物製作的生物電池，可以產生類似於使用這種電池之前的紙基微生物燃料電池產生的最大功率。

研究人員表示稱，柔性紡織電池基於低成本的石墨烯材料製成，外部採用簡單的絲網印刷技術，電極會因為油墨和紡織品之間的強烈相互作用而表現得非常穩定，並具有良好的操作安全性和很長的循環壽命，電池本身還支持快速充電，柔性材料允許水洗。在重複拉伸和循環扭轉作用下，這些完全依靠紡織物製成的生物材料具有穩定的發電能力。

編輯點評：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準化平台，未來有望應用於可穿戴電子產品。並且對比起柔性電池，可拉伸彎曲的生物柔性電池可以應用在各種不規則電子產品當中。

8.柔性鋁石墨烯電池

2017年12月25日，浙江大學高分子科學與工程學系高超團隊研製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」設計原則讓鋁石墨烯電池的性能向前邁出一大步。

據了解，該鋁石墨烯電池是柔性電池，將它彎折一萬次後，也能完全保持容量，並且充電速度飛快，只需要幾秒時間就可以完成充電。而其續航能力也非常強，可以循環充放25萬次後依然電力十足。

除此之外，這種電池既耐高溫又抗嚴寒，可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環境中工作。在零下30攝氏度的環境中，這種新型電池能實現1000次充放電性能不減，而在100攝氏度的環境中，它能實現4.5萬次穩定循環，顯示出廣泛的應用前景。

編輯點評：耐寒、高續航、充電速度快，柔性等特點，註定了是未來智能手機或智能可穿戴深度完美「搭檔」。最大挑戰無疑就是解決技術上的難題，做到量產落地商用

9.「印刷術」突破鈣鈦礦柔性太陽能電池難題

2018年1月5日，新年伊始，柔性儲能科研領域就傳來好的消息。中科院化學所綠色印刷重點實驗室宋延林課題組利用「印刷術」突破了柔性鈣鈦礦太陽能電池難題，成功製備厚度和柔韌程度與一張雜誌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備提供可靠電源。

難以想像，中國古老的四大發明之一的「印刷術」也開始在新時代煥發生機。該研究小組通過納米組裝印刷方式製備了鈣鈦礦的蜂巢狀納米支架，並在其內部搭建起「光學諧振腔」，這兩項創新同時提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池力學穩定性和光電轉化率。

編輯點評：據了解，該項技術研發的雜誌紙大小的鈣鈦礦柔性太陽能電池可以運用在可穿戴設備，甚至衣服、汽車玻璃貼膜等地方，通過吸收太陽光轉化的電量給其他設備充電，既環保又實用。

10.新型柔性透明電極

2018年1月12日，南京郵電大學賴文勇教授課題組與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所蘇文明研究員課題組合作，創新性地提出導電聚合物網格電極的設計思路，研製出一種綜合性能優異的新型柔性透明電極。並建立了簡易的絲網印刷技術，克服了低成本大面積製備難題，用其作為陽極製備的有機電致發光器件與採用氧化銦錫(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、高導電、高透光特徵，並具有突出的化學穩定性，可低成本製作以及圖案化製作，可以作為透明薄膜電極取代ITO透明電極廣泛應用於構築柔性有機電致發光器件、柔性有機太陽能電池器件、柔性有機場效應晶體管器件以及柔性儲能器件等。

編輯點評：全球發達國家都在柔性儲能領域上發力，中國在該領域上也是站到了世界前列，在近期也是頻繁傳出技術上的突破的好消息。

總結

柔性電子是未來電子產品的重要發展方向之一，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突破。當然，現在想要實現柔性儲能器件的實際應用還有很多問題和挑戰，還離不開科研人員的努力。

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