盘点柔性储能十大技术突破，改变智能硬件的未来
来源：宝鄂实业
2019-03-14 10:48
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科技的进步，智能化热潮的风靡，也让电子设备变得愈加丰富多彩。智能硬件、智能手机、智能可穿戴设备也是近年来的潮流，尤其是电子技术的快速进步，更是让这些电子设备朝着轻薄化、多样化、多元化、柔性化方向发展，例如2017年流行的全面屏手机。而在今年，像三星苹果等厂商更是计划研制可折叠、可弯曲的新一代柔性电子产品。
这种充满未来科幻感的柔性电子产品频繁的出现在各种电子展会当中，满足大众对电子产品科技感的想象同时，也指引了电子产品的发展方向，柔性电子显然是未来发展趋势之一。
值得一提的是，柔性电子曾被评为世界十大科技成果之一，更是预测其将带来一场电子技术革命。如今，这场电子技术革命在市场的推动下已经悄然来临，根据调研机构IDTechEx预测数据显示，2018年柔性电子市场为469.4亿美元，到2028年将达到3010亿美元，2011年至2028年间年复合增长率近30%。
广阔的市场前景助推下，柔性电子技术发展也是日新月异，其中柔性电子发展最大的挑战就是与之相适应的柔性储能器件。传统的锂电池、超级电容器是刚性的，在弯曲、折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题。
2017年10月18日媒体报道称，韩国蔚山国家科学与技术研究院研发了一种新的柔性多功能双极性全固态锂离子电池，解决了基于无机电解质的双极性锂离子电池常见的问题。
据了解，研究人员通过无溶剂干燥和紫外线固化辅助多级印刷技术制备出双极性LIB，并开发了一种新型的柔性不易燃凝胶电解质，从而将其作为核心元件用于印刷电极和印刷固态凝胶复合电解质。而该多级印刷的双极性电池制备技术作为一种高效、可扩展的技术，将双极性全固态电池的发展推向商业化，具有巨大的应用前景。
锂离子电池并不少见，现在主流电子都是使用锂电池，不过该项技术可以打破锂电池一直以来刚性的特点，做到柔性多功能双极性无疑是非常大的技术突破。
2017年10月24日，美国佐治亚理工学院机械工程学院助理教授Seung Woo Lee和高丽大学化学与生物工程系的Jinhan Cho共同研发了一种纸质柔性超级电容器。该超级电容器使用金属纳米颗粒在纸中涂覆纤维素纤维，创造出具备高能量和高功率密度的超级电容器电极，实现了迄今为止具备最佳性能的基于纺织品的超级电容器。
通过研究测试表明，使用该技术制造的电容器可以折叠数千次而不影响电导率。除此之外，这种金属纸张超级电容器的最大功率和能量密度分别达到15.1mW/cm2和267.3uW/cm2，基本上优于常规纸质或纺织超级电容器。
而它的应用场景也非常丰富，支持可穿戴设备、便携性电子产品等，还可以将柔性电容器与能量收集装置结合，为生物医学传感器、消费电子和军用电子产品等应用供电。
与锂电池同理，超级电容器也是刚性的，不易弯曲和折叠。不过该技术从材料的另外一种角度出发，打破常规，研发出了基于纺织品的纸质柔性超级电容器。如果能够进一步解决问题，做到商用，那么很可能会带来变革。
2017年10月27日，这一次轮到中国技术大展神威。中科院青岛生物能源与过程研究所新型能源碳素材料团队与中科院化学研究所合作，研发了一种石墨炔基分子材料，改变了传统的电池材料观念，实现了高性能柔性电池的制备。
据了解，该材料在钠离子电池的测试研究中所展现的电化学储钠能力在同类材料中具有领先地位，完全可能成为新一代高性能、柔性储能电池。为我国未来电化学储能器件的研究带来了新视角和新理念，将积极地推动我国十三五新能源和新材料研究规划进展。
石墨炔是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能，石墨炔有望可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。
2017年11月20日，马里兰大学胡良兵研究团队利用3D打印技术制备了纤维型类固态锂离子柔性电池。该电池可在弯曲状态下保持稳定的电化学性能，未来可与普通织物结合，作为可穿戴电子器件的重要能源存储设备。
值得一提的是，相比起其它复杂精密的技术，这种制备方法非常简单快速。也许其在其它方面还不够完善，但是其提供了量产柔性锂离子电池的新思路，也可有效的应用于其他活性材料体系的柔性一维电池。
利用3D打印技术不得不说是一种新的思路，3D打印技术近年来非常流行，而且其成本和制作成都也都非常方便快速。对于柔性储能器件行业来说，是一个值得思考的方向。
2017年12月12日，中国科学院电工研究所超导与能源新材料研究部马衍伟课题组采用多级次石墨烯复合电极与离子液体凝胶聚合物电解质，首次开发出具有3.5V电压窗口的高能量密度柔性固态超级电容器。据了解，该研究是电工所团队与西南石油大学教授葛性波合作完成。
据悉，研究人员通过调控电极的微观结构和引入离子液体凝胶电解质，成功制备出具有宽电压窗口的柔性固态超级电容器，有效提升了器件的能量密度。该柔性固态超级电容器充放电10000次循环后，容量仍然可以保持85%以上，连续弯折1000次后容量仍可以保持88%，具有良好的电化学性能和优异的力学耐弯折性能。
石墨烯材料并不陌生，市场上对于石墨烯电池的概念也是耳熟能详，不过目前一直处于技术研发状态。这项技术突破，为今后提高柔性固态超级电容器的能量密度提供了一种有效策略。
2017年12月13日，西安交通大学电信学院吴朝新教授团队发现一种通过简单方法，就可以实现高质量的钙钛矿薄膜，得到了光电转换效率高达19.44%的反型平面异质结钙钛矿太阳能电池。
据了解，研究人员通过旋涂制备好钙钛矿薄膜后，使用硫氰酸铵后处理，钙钛矿薄膜经过分解，再重新结晶的过程，形成了晶粒更大，结晶性更好，缺陷更少的钙钛矿薄膜。将该方法应用到柔性电池中，实现了光电转换效率为17.04%的高效率反型平面异质结钙钛矿柔性电池，位于国际最高柔性薄膜太阳能电池效率之列。
技术的突破就是不断的寻找更加简洁有效的解决方案，西安交大吴朝新教授团队发现的这种方法，成功的将国内柔性钙钛矿太阳能电池效率推上了世界顶尖水平。
2017年12月16日，宾厄姆顿大学的一个研究小组研发一种完全使用纺织物生产的细菌生物能源电池，通过创建一个完全由纺织物制作的生物电池，可以产生类似于使用这种电池之前的纸基微生物燃料电池产生的最大功率。
研究人员表示称，柔性纺织电池基于低成本的石墨烯材料制成，外部采用简单的丝网印刷技术，电极会因为油墨和纺织品之间的强烈相互作用而表现得非常稳定，并具有良好的操作安全性和很长的循环寿命，电池本身还支持快速充电，柔性材料允许水洗。在重复拉伸和循环扭转作用下，这些完全依靠纺织物制成的生物材料具有稳定的发电能力。
这种可伸缩、可弯曲的能源动力装置可以为纺织物制生物材料搭建标准化平台，未来有望应用于可穿戴电子产品。并且对比起柔性电池，可拉伸弯曲的生物柔性电池可以应用在各种不规则电子产品当中。
8.柔性铝石墨烯电池
2017年12月25日，浙江大学高分子科学与工程学系高超团队研制出新型铝石墨烯电池，研究人员提出石墨烯正极材料的“三高三连续”设计原则让铝石墨烯电池的性能向前迈出一大步。
据了解，该铝石墨烯电池是柔性电池，将它弯折一万次后，也能完全保持容量，并且充电速度飞快，只需要几秒时间就可以完成充电。而其续航能力也非常强，可以循环充放25万次后依然电力十足。
除此之外，这种电池既耐高温又抗严寒，可以在零下40摄氏度到120摄氏度的环境中工作。在零下30摄氏度的环境中，这种新型电池能实现1000次充放电性能不减，而在100摄氏度的环境中，它能实现4.5万次稳定循环，显示出广泛的应用前景。
2018年1月5日，新年伊始，柔性储能科研领域就传来好的消息。中科院化学所绿色印刷重点实验室宋延林课题组利用“印刷术”突破了柔性钙钛矿太阳能电池难题，成功制备厚度和柔韧程度与一张杂志纸差不多的钙钛矿柔性太阳能电池，有望为柔性可穿戴电子设备提供可靠电源。
难以想象，中国古老的四大发明之一的“印刷术”也开始在新时代焕发生机。该研究小组通过纳米组装印刷方式制备了钙钛矿的蜂巢状纳米支架，并在其内部搭建起“光学谐振腔”，这两项创新同时提高了柔性钙钛矿太阳能电池力学稳定性和光电转化率。
2018年1月12日，南京邮电大学赖文勇教授课题组与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏文明研究员课题组合作，创新性地提出导电聚合物网格电极的设计思路，研制出一种综合性能优异的新型柔性透明电极。并建立了简易的丝网印刷技术，克服了低成本大面积制备难题，用其作为阳极制备的有机电致发光器件与采用氧化铟锡(ITO)玻璃阳极的器件相比电流效率提高了1.56倍。
该电极具有高柔性、高导电、高透光特征，并具有突出的化学稳定性，可低成本制作以及图案化制作，可以作为透明薄膜电极取代ITO透明电极广泛应用于构筑柔性有机电致发光器件、柔性有机太阳能电池器件、柔性有机场效应晶体管器件以及柔性储能器件等。
柔性电子是未来电子产品的重要发展方向之一，因此解决柔性储能器件问题刻不容缓，在资本和国家政策的支持下，新的一年势必会有所重大的技术突破。当然，现在想要实现柔性储能器件的实际应用还有很多问题和挑战，还离不开科研人员的努力。
