MVC储能专辑:柔性储能材料与器件

半导体所沈国震课题组

柔性电子技术是近年来发展起来的一个崭新的领域。2013年8月份,柔性电子技术被外媒评选为2013年全球十大科技进展之一。10月,三星、LG公司先后宣布成功量产柔性显示屏和弯曲电池进入量产阶段,并分别推出了曲面智能手机Galaxy Round和G Flex。使得柔性电子产品真正进入了我们的生活。伴随着柔性电子产品市场的兴起,传统的储能器件由于体积大、不能弯曲等原因,已经不能满足柔性电子产品对高柔性和可加工性的要求。因此,研究与开发新型的柔性储能器件是一项刻不容缓的任务。针对这一挑战,中国科学院半导体研究所沈国震教授领导的柔性无机半导体材料与器件课题组,从电极材料和电极结构的设计与创新出发,致力于新型柔性储能器件的开发与研制,取得了一系列研究成果。

柔性锂离子电池

目前有关柔性锂离子电池研究的报道并不是太多,尤其是高容量的柔性锂电池的工作更是屈指可数。为了得到高容量的柔性锂离子电池,沈国震课题组用三维的柔性导电基底-碳布等-取代传统的金属薄膜电极,并在其上生长三维电极材料。由于电极及基底的三维多孔结构,极大地提高了电解液与电极的接触面积。同时,直接生长在基底上的一维纳米电极材料有利于电子传输,因而最终大大提高了电池的比电容以及续航能力。而研制的柔性电池在折叠上百次之后,电池性能没有明显的变化,展现了很好的柔性。此外,电池在一定的温湿度环境下同样可以稳定工作,展示了其潜在的实际应用价值。相关研究成果分别发表在Nano letters, Chemistry-A European Journal, Nanoscale, Scientific Reports, Nano Research等期刊上。

 柔性超级电容器

柔性全固态超级电容器具有安全系数高、结构简单、易于封装等特点,在可穿戴式电子产品中具有广泛的应用前景。沈国震课题组同样立足于构建三维电极结构,通过增大活性物质与电解质的有效接触面积、增加离子和电子的输运速度,研制了一系列柔性超级电容器。相关成果已发表在ACS Nano, Chemistry-A European Journal, Journal of Materials Chemcistry A等期刊上。为了满足轻质、微型电子器件的需求,他们还研发了一系列微型柔性电容器,主要包括基于二硒化锗三维结构的平面电容器、基于钴酸锌的线状分布电容、基于四氧化三钴的线状柔性非对称电容器等等,部分成果已经发表在Advanced Materials, Small等知名期刊上。

 印刷工艺在柔性储能器件上的应用

近几年,印刷电子因为可以做到大面积、柔性化,并具有广泛的应用前景与市场而得到快速发展。伴随着印刷电子产品的兴起,可印刷的柔性储能器件必将是一个需要探索的领域。在可印刷柔性储能器件领域,沈国震课题组尝试了用喷涂法制备基于硅纳米线的柔性锂离子电池,在弯折状态下保持了稳定的电压,表现了很高的柔性。同时他们组的研究人员还用溶胶凝胶法制备了基于硒化亚锡的墨水,可以直接喷涂在导电基底上制备柔性超级电容。相关成果已被Scientific Reports, ChemSuSChem等期刊报道。通过改进工艺,基于全印刷的柔性储能器件正在研发之中。

展望

随着柔性、可折叠电子器件的发展,柔性储能器件必将是各大科研机构及公司竞相竞争的研究领域和市场宠物。而印刷技术必将是柔性储能器件的规模化和市场化应用的理想选择。而在另一方面,通过把储能器件与功能其他器件集成,构建多功能一体化柔性微纳系统,可以实现新型的自供电光电探测系统、柔性智能窗等等。目前,沈国震课题组已经展开了这方面的研究,业已实现了柔性超级电容驱动的光探器件、用太阳能充电的超级电容器,以及可以储能的智能窗等。相信随着研究的进一步深入,更多性能更加优异,结构更加新颖的柔性多功能器件系统将得以实现。