可穿戴電子器件的快速增長(zhǎng)，推動(dòng)了對(duì)于具有多種外形和架構(gòu)的低成本柔性版印刷電池的研究。該領(lǐng)域在過(guò)去一直強(qiáng)調(diào)技術(shù)成果，忽視了行業(yè)和市場(chǎng)的需求。然而，不同的應(yīng)用需要不同的電池化學(xué)成分和形式，將極大地影響制造過(guò)程和競(jìng)爭(zhēng)格局。因此，為了最大程度地提高商業(yè)成功機(jī)率，應(yīng)仔細(xì)選擇這些化學(xué)物質(zhì)和形式。由于其中一些技術(shù)開(kāi)始被推廣用于便攜式電子產(chǎn)品，因此迫切需要對(duì)不同的印刷技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)特定電子器件的處理限制和產(chǎn)品要求對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行比較。通過(guò)評(píng)估印刷電池技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)和當(dāng)前局限性，以?xún)?yōu)先考慮開(kāi)發(fā)路徑，并克服潛在瓶頸，從而加速印刷電池進(jìn)入市場(chǎng)的進(jìn)程。
澳大利亞昆士蘭大學(xué)Lianzhou Wang、Miaoqiang Lyu研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《Engineering》2022年6期刊發(fā)表了題目為《印刷薄膜電池的最新進(jìn)展》的綜述性文章，指出印刷電池的這些內(nèi)在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已被普遍接受，但它們?cè)趯?shí)踐中的表現(xiàn)尚未得到嚴(yán)格證明。盡管已有研究對(duì)印刷電池領(lǐng)域進(jìn)行了報(bào)道，但這些研究主要集中在具有氧化還原特性的油墨開(kāi)發(fā)以及使用不同印刷方法證明其可印刷性方面。相對(duì)而言，針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用技術(shù)要求的研究相對(duì)較少。該文章在評(píng)估印刷電池相對(duì)于同類(lèi)技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)之前，定義了關(guān)鍵技術(shù)要求。然后，文章還回顧了迄今為止所報(bào)道的印刷電池的主要技術(shù)成就：①前所未有的外形自由度；②柔性；③在亞毫米厚度下增加能量密度；④印刷電池的制造具有成本效益；⑤單片可集成性。最后，文章對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行分析，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提供了若干建議。
文章指出，印刷電池正在成為應(yīng)對(duì)下一代小型便攜式電子器件、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備所面臨挑戰(zhàn)的理想選擇。近年來(lái)，印刷電池引起了研究界的極大興趣，并多次被研究人員報(bào)道。具有剛性外殼的傳統(tǒng)電池不能很好地滿足新一代柔性設(shè)備的力學(xué)要求。它們的外形尺寸有限，不能被單片集成到電子器件中。相比之下，印刷電池在美學(xué)功能性、柔性和單片集成方面表現(xiàn)出一定的潛力。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們開(kāi)發(fā)了多種印刷技術(shù)，將油墨漿圖案化到各種基材材料上，包括有機(jī)（如聚合物）和無(wú)機(jī)（如金屬）材料。使用類(lèi)似的印刷方法，可以將電活性和導(dǎo)電材料分層到柔性基板上，以生產(chǎn)具有圖案的柔性電池。許多可以容納印刷電池的應(yīng)用都具有可印刷的功能，如能量收集、顯示器和傳感器。電池可以與電子器件的其他組件一起印刷，以生產(chǎn)所謂的單片集成設(shè)備。如果所有組件都可以通過(guò)卷對(duì)卷（R2R）技術(shù)在同一條裝配線上印刷，那么生產(chǎn)量就會(huì)增加。因此，印刷電池通常與具有成本效益的制造相關(guān)聯(lián)。也有報(bào)道稱(chēng)，亞毫米厚度的能量密度優(yōu)于鋰聚合物電池或陶瓷電池等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。
文章表明，印刷集成設(shè)備面臨的許多挑戰(zhàn)。隨著在結(jié)構(gòu)材料和工藝要求方面必須兼容的組件數(shù)量的增加，物理集成的復(fù)雜性呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了最大程度地提高可加工性，集成器件應(yīng)以最少的步驟/層數(shù)制造。每個(gè)額外的步驟都會(huì)增加流程失敗的風(fēng)險(xiǎn)，以及降低該風(fēng)險(xiǎn)所涉及的成本。如果所有組件都在同一條裝配線上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制造，則生產(chǎn)集成設(shè)備有助于簡(jiǎn)化物流。
此外，文章還揭示了印刷電池面臨的一個(gè)更大的挑戰(zhàn)可能涉及展示更大范圍的電化學(xué)性能。迄今為止商業(yè)化的所有印刷電池都是不可充電的鋅-錳電池。對(duì)于其他多價(jià)離子化學(xué)，鋅-錳反應(yīng)是具有挑戰(zhàn)性的可逆循環(huán)。部分文章報(bào)道了基于可充電化學(xué)物質(zhì)（包括鎳金屬氫化物和鋰離子）的印刷電池，但尚未有任何商業(yè)產(chǎn)品推出。對(duì)于這兩種化學(xué)物質(zhì)，關(guān)鍵挑戰(zhàn)是可印刷電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)。鎳金屬氫化物電解液具有腐蝕性，可能與印刷中使用的其他材料產(chǎn)生兼容性問(wèn)題。使用鎳金屬氫化物化學(xué)物質(zhì)面臨的另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是需要泄壓閥，這在使用可分解成氣態(tài)氫和氧的水性電解質(zhì)的鎳金屬氫化物電池的設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)，極有可能存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于R2R兼容性，此閥門(mén)應(yīng)該是可印刷的。鋰離子化學(xué)物質(zhì)對(duì)水分污染高度敏感，因此必須在干燥的環(huán)境中處理電解質(zhì)。
以上內(nèi)容來(lái)自：Benoit Clement, Miaoqiang Lyu, Eeshan Sandeep Kulkarni, Tongen Lin, Yuxiang Hu, Vera Lockett, Chris Greig, Lianzhou Wang. Recent Advances in Printed Thin-Film Batteries [J]. Engineering, 2022, 13 (6): 238-261.
原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2022.04.002
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