Advanced Functional Materials:小巧玲珑的柔性双离子微电池将大有作为

目前,在电子设备不断向小型化升级的背景下,体积小、电化学性能优越的可集成化、微型储能器件应运而生,成为微电子器件中不可缺少的组成部分。几十年来,科学家们一直在努力集成传统超级电容器、锂离子电池(LIBs)和薄膜电池等储能设备,目标是提高能量和功率密度以满足上述要求。尽管如此,仍然需要巨大的努力来改变现有LIBs的低能量密度、短周期寿命和昂贵的制造成本等缺点,以及由于低能量密度和严重的自放电,超级电容器的发展也受到了很大的限制。目前报道的储能器件大多存在充放电电位低、比容量低、比能量密度有限等局限性,阻碍了储能器件在可穿戴电子器件中的应用。迫切需要开发一种集低成本、高能量密度和稳定电压输出为一体的小型化储能装置,即“小而强大”的能源微器件。

到目前为止,已经报道并制造了多种改进优化的微型电池,在微型器件中表现出巨大的潜力。但是,目前对于具有高电压、高能量密度、低成本等优异性能的双离子电池的微型化器件还没有发展起来。因此,设计和构建一种用于微电子应用的集成式柔性双离子微型电池具有重要的现实意义和必要性。

清华大学曲良体教授和北京理工大学陈南教授团队采用超快激光微加工的方法制造出首款柔性双离子微电池,并对它的电化学特性进行了详细的研究及应用拓展。超快激光微加工能够实现高效构建微电池器件并且可以构建一体化集成化的微器件,该微电池实现了集双离子电池和微电池器件的优异性能和特色于一身,不仅具有高的电压窗口、较高的体积比容量和较好的循环稳定性等优异的电化学性能,同时研究表明单个微电池可为电致变色眼镜供能,并且能够调节眼镜镜片颜色的深度、可以使电子游戏机正常使用。这些微电子器件的应用结果表明,双离子微电池能够很好地实现为微电子器件提供能量供应,同时具备柔性、高功率等优异的电化学性能,具有不可估量的应用前景。为了满足微电子器件对能量和集成化的要求,团队成员借助超快激光微纳加工技术,在柔性基底上构建出大尺寸的微型电极阵列,并且实现了微器件的图案化,同时保证了集成化器件的柔性和电化学性能的重现性及稳定性。

研究者相信,此项研究将为微电池器件的研究开拓一个全新的方向,所制备出的双离子微电池有望成为下一代微电子设备以及未来集成电子设备中能源存储和转换元件的有力竞争者,未来该方法所引领制造的高性能新型微纳能源器件一定会大有作为。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202002086)上,并被收录到“热门话题:碳,石墨和石墨烯”之中。