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柔性/可拉伸鋰電池及其集成系統的研究綜述與展望

鉅大LARGE  |  點擊量:1707次  |  2019年02月25日  

柔性電子學是在柔性基板上構建電子/光電子器件的一組技術,包括聚合物基板、超薄金屬基板等,是現代微電子技術最重要的發展趨勢之一。到目前為止,人們已經設計出多種柔性電子設備,如柔性顯示器、可穿戴電子設備、電子皮膚、電子紙、傳感器、機器人、植入式醫療設備等。這些產品更加省電、便宜、多樣化,而且操作簡單、容易攜帶,更符合人體工程學設計,甚至可以作為直接黏貼在皮膚上的可穿戴設備。為了使柔性電子器件功能化,需要高性能的供電設備,一方面應具有與柔性電子設備變形一致的同等柔性/可伸縮性,另一方面還要保持其優良的電化學性能。

鋰離子電池是另一種廣泛應用于商業電子、電動汽車、固定電網等領域的電源,具有功率密度高、能量密度高、循環壽命長等特點。傳統的鋰離子電池是剛性的,在彎曲、折疊時,容易造成電極材料和集流體分離,影響電化學性能,甚至導致短路,發生嚴重的安全問題。此外,逐層平面器件結構使得鋰電池體積過大,無法滿足全柔性系統的要求。因此為了適應下一代柔性電子設備的發展,開發具有良好柔性、機械穩定性和電化學性能的高柔性/可拉伸柔性鋰電池成為了近幾年的研究熱點。

近日,中科院半導體研究所沈國震研究員在Wiley旗下期刊AdvancedFunctionalMaterials發表了題為“DeviceConfigurationsandFutureProspectsofFlexible/StretchableLithium-IonBatteries”綜述,從結構和功能等方面列舉了幾類柔性鋰電池及其在可穿戴電子中的應用(圖1)。最后對于未來柔性鋰電池在實際應用中面臨的挑戰和發展趨勢提出了新的見解和觀點。

作者在文章中介紹了可用于柔性可穿戴電子供能單元的柔性/可拉伸鋰電池的基本特性及其應用,并從器件結構的角度,對柔性/可拉伸鋰電池的最新進展進行了綜合評述。作者詳細討論了器件結構對其性能及應用場景的影響。首先,介紹了具有平面結構和光纖結構的柔性鋰離子電池的制備工藝及其特點。隨后,作者詳細討論了可拉伸鋰電池的設計思路,包括結構可拉伸以及內在可拉伸。此外,還重點介紹了幾種有柔性/可拉伸鋰電池供電的柔性電子集成系統,包括柔性自驅動紫外光探測系統等。最后作者還討論了這個新興領域所面臨的挑戰和機遇。

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