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編者按：微型化與自供電電子系統(tǒng)的快速發(fā)展與高度集成化，迫切需要開發(fā)電化學(xué)微型儲能器件，其中主要是指微型電池和微型超級電容器，近日，中科院大連化物所研究員吳忠?guī)浥c中國科學(xué)院院士包信和在微型儲能器件方面的研究工作受到了國際同行的關(guān)注。


微型化與自供電電子系統(tǒng)的快速發(fā)展與高度集成化，迫切需要開發(fā)電化學(xué)微型儲能器件，主要包括微型電池和微型超級電容器。其中，平面化微型電池和微型超級電容器因能直接在單一基底上與微電子器件集成，可成為獨(dú)立的或補(bǔ)充的微電源，引起了廣泛關(guān)注。

近日，中科院大連化物所研究員吳忠?guī)浥c中國科學(xué)院院士包信和在微型儲能器件方面的研究工作受到了國際同行的關(guān)注，應(yīng)邀在《先進(jìn)材料》上發(fā)表題為《面向平面化微型電池和微型超級電容器的道路：從二維到三維的器件構(gòu)型》的進(jìn)展報(bào)告。

包信和在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)指出，微型儲能器件在基本原理取得突破的基礎(chǔ)上，一定要找到適合的應(yīng)用場景，他們后續(xù)將針對特定的應(yīng)用展開研究。

技術(shù)水平有待提高

微型化、柔性化電子器件的快速發(fā)展，極大刺激了人們對與之匹配的微型儲能器件的需求。吳忠?guī)浉嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，微型儲能器件主要包括微型電池和微型超級電容器，在微型機(jī)電系統(tǒng)、微型機(jī)器人、植入式醫(yī)療器件、射頻識別標(biāo)簽、遠(yuǎn)程環(huán)境傳感器、便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品，以及無線自供電微/納米系統(tǒng)等方面提供可持續(xù)工作的動力源，實(shí)現(xiàn)電子器件對于柔性化、多功能化、集成化、微型化的需求。

此次他們的進(jìn)展報(bào)告首先重點(diǎn)介紹了平面化微型電池和微型超級電容器的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展，包括從基本原理到設(shè)計(jì)原則，從堆疊型到平面內(nèi)構(gòu)型（叉指型）的幾何構(gòu)型，以及從二維到三維的器件構(gòu)型；其次，探討了關(guān)鍵電極材料、電解質(zhì)、器件構(gòu)型、微電極制備技術(shù)，以及電極/電解質(zhì)/集流體等界面對微型儲能器件電化學(xué)性能的影響；最后提出了高比能與多功能化平面微型電池和微型超級電容器的技術(shù)挑戰(zhàn)、可行性解決方案和未來的發(fā)展方向。

吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)長期致力于二維材料及其微型儲能器件的研究。據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了一系列重要的研究進(jìn)展：提出了電化學(xué)剝離摻雜、超分子分級自組裝、二維納米單元軟模板等新方法，制備出石墨烯和摻雜石墨烯、超分子噻吩、黑磷烯、MXene、介孔氧化物/聚合物等多種二維納米能源材料。

另外，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了紫外光還原、掩模版輔助過濾的高效制備微電極的新技術(shù)，建立了高比能、柔性化、高安全微型儲能器件的構(gòu)建原則，研制出多種不同平面構(gòu)型的微型儲能器件，如離子液體凝膠基微型超級電容器、任意形狀微型超級電容器、鋰離子微型電容器、鋰離子微型電池、鋅離子微型電池。同時(shí)，還提出了微電極、導(dǎo)電連接體和柔性集流體一體化構(gòu)筑新策略，以及研制出高集成度化微型超級電容器模塊，輸出工作電壓超過100伏。

不過，吳忠?guī)洷硎荆?dāng)前，堆疊型的鋰離子微型電池已經(jīng)在植入型醫(yī)藥器件方面有部分應(yīng)用，但是叉指型微型電池、其他類型的微型電池以及微型超級電容器的研究還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，離大規(guī)模應(yīng)用仍有比較長的路要走。

“目前，國內(nèi)微型超級電容器的研究處于比較領(lǐng)先的位置，包括電極材料和電極制備技術(shù)，但是微型電池的研究仍落后于國外。”吳忠?guī)浱寡浴?br />
吳忠?guī)浿赋?，雖然微型薄膜電容器和電池具有廣泛的應(yīng)用，但市場缺口很大，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平仍有待提高，只有加大技術(shù)創(chuàng)新力度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，才能擴(kuò)展國內(nèi)市場，進(jìn)軍國際市場。而對于微型儲能器件的規(guī)?；瘧?yīng)用，目前仍需要解決大規(guī)模、低成本的簡便制備技術(shù)，輕質(zhì)的封裝技術(shù)，器件的成本以及儲能和產(chǎn)能系統(tǒng)之間匹配等問題。

自供能集成系統(tǒng)是主要方向

“為了滿足各種微電子器件和微系統(tǒng)的運(yùn)行要求，微型儲能器件最大的挑戰(zhàn)或難點(diǎn)在于能量密度和功率密度的提升，同時(shí)還需要解決長續(xù)航的問題，以及多功能化器件的開發(fā)，例如，柔性化、集成化和智能化。”吳忠?guī)浄Q，為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要從電極材料、電極制備、電解液選擇、器件構(gòu)型和界面接觸五個(gè)方面總體考慮。

吳忠?guī)洷硎?，微型儲能器件的電化學(xué)性能主要由活性電極材料決定。具有納米孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性、體積膨脹系數(shù)小的電極材料是實(shí)現(xiàn)離子與電子快速傳輸、長續(xù)航壽命的關(guān)鍵，其可以在實(shí)現(xiàn)高能量密度的同時(shí)，保持高的功率密度。另外，還要加強(qiáng)大規(guī)模、快速、低成本電極制備技術(shù)的開發(fā)力度。

此外，他還提出要重視高離子電導(dǎo)率、高安全和高電壓電解液的研制，尤其是水系高鹽電解液和全固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)；二維和三維器件構(gòu)型和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)具有更短離子傳輸路徑、更大的比表面積、擁有豐富孔道的電極構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)在給定面積的最大比容量和能量密度；兼容界面的設(shè)計(jì)，包括電極與集流體之間、電極與電解質(zhì)之間的界面，構(gòu)建良好的電子離子導(dǎo)電通路。

吳忠?guī)洀?qiáng)調(diào)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G智能化設(shè)備的興起，微型儲能器件未來一個(gè)主要的研究方向是獨(dú)立的自供能集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要有效耦合產(chǎn)能（太陽能電池、納米發(fā)電機(jī)）、儲能（微型儲能器件）和用能（微型傳感器）的集成。此外，利用固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)建全固態(tài)微型儲能器件，有助于自供能集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，將會不斷促進(jìn)民用柔性化、微型化電子器件的智能化和未來軍用裝備的高度集成化。

根據(jù)應(yīng)用場景展開研究

采訪中，包信和強(qiáng)調(diào)，微型儲能器件下一步的發(fā)展要瞄準(zhǔn)特定的應(yīng)用場景，注重系統(tǒng)集成和優(yōu)化。他指出，不同的應(yīng)用對電池的特性要求是不一樣的，有些要求高的能量密度，有些要求高的功率密度，研究方向和策略就要隨之發(fā)生變化。但不管怎樣，提高微型儲能器件“續(xù)航能力”都是非常關(guān)鍵的。

“這個(gè)方面不外乎兩個(gè)主要的研究方向，一是從材料和工藝入手，提高器件的儲電容量，二是從物理和控制入手，改善充電性能，例如，如果考慮植入式的應(yīng)用場景，就可以考慮非接觸式的充電方式。”包信和指出。

吳忠?guī)浺脖硎?，他們將針對不同的?yīng)用場景，發(fā)展特定的應(yīng)用場景的能量型或功率型微型儲能器件，并采取新的策略和器件，繼續(xù)提高微型儲能器件的續(xù)航能力，發(fā)展高容量器件和非接觸的充電方式。

另外，微型儲能器件在可穿戴電子產(chǎn)品、微型自驅(qū)動探測器等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景，這也對微型儲能器件制備技術(shù)提出了更高的要求。對此，蘇州大學(xué)能源學(xué)院教授晏成林撰文指出，自卷曲技術(shù)在管狀結(jié)構(gòu)電極的制備和原位電化學(xué)研究上所表現(xiàn)出來的優(yōu)越性，特別是在制備微型能源存儲器件上的應(yīng)用價(jià)值，也值得關(guān)注和深入研究。

晏成林表示，自卷曲技術(shù)是利用材料內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力而實(shí)現(xiàn)二維薄膜材料自行彎曲的一種方法。相比于傳統(tǒng)微納制備工藝，這種方法可以在微米尺度下將二維薄膜電極材料有序卷曲排列，為微型儲能器件的制備提供了有效、便捷的途徑。

原標(biāo)題：微型儲能器件“錨定”應(yīng)用場景