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中科院为规模化制备高比能柔性固态储能器件提供新思路

时间:2020-10-15    来源:中国科学院北京分院    作者:仪多多商城     
【导读】日前,中国科学院北京分院马衍伟研究团队在高性能柔性储能器件制备技术方面取得新进展,通过从材料到器件的协同创新设计,开发出一种高比能柔性固态锂离子电容器的规模化制备技术。

  储能主要是指电能的储存。电容器是一种储能原件,其储存的电能与自身的电容和端电压的平方成正比。电容储能容易保持,不需要超导体。电容储能还有很重要的一点就是能够提供瞬间大功率,非常适合于激光器,闪光灯等应用场合。储能本身不是新兴的技术,但从产业角度来说却是刚刚出现,正处在起步阶段。

  日前,中国科学院北京分院马衍伟研究团队在高性能柔性储能器件制备技术方面取得新进展,通过从材料到器件的协同创新设计,开发出一种高比能柔性固态锂离子电容器的规模化制备技术。原位电化学测试表明,经过数千次弯折,波浪状锂离子电容器的容量几乎没有衰减,展现了良好的柔性可弯曲性能。该技术实现了铝塑电池/超级电容器的柔性化,并且与常规制备工艺兼容,提供了一种规模化制备柔性储能器件的方法。

  电容器是储存电量和电能(电势能)的元件。一个导体被另一个导体所包围,或者由一个导体发出的电场线全部终止在另一个导体的导体系,称为电容器。

  两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。

  电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中起着重要的作用。晶体管收音机的调谐电路要用到它,彩色电视机的耦合电路、旁路电路等也要用到它。

  随着电子信息技术的日新月异,数码电子产品的更新换代速度越来越快,以平板电视(LCD和PDP)、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长,带动了电容器产业增长。

  超级电容器又称为双电层电容器、电化学电容器,是电化学性能介于传统电容器和电池的一种新型的电化学储能装置。它主要是通过双电层电容和氧化还原反应产生的法拉第准电容存储能量。一般说来,超级电容器的储能方式是可逆的,因此可用来解决电池记忆等问题。当前,超级电容器的应用范围非常广泛,尤其是在混合动力汽车方面。其作为混合动力汽车的电源,可以很好地满足汽车在启动、爬坡和加速时对高功率的需求,从而有效地节约能源并提高电池的使用寿命。

  对于超级电容器来说,依据不同的内容可有不同的分类方法。首先,根据不同的储能机理,可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。其中,双电层电容器主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附来产生存储能量。法拉第准电容器主要是通过法拉第准电容活性电极材料(如过渡金属氧化物和高分子聚合物)表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第准电容,从而实现对能量的存储与转换。其次,根据电解液种类可分为水系超级电容器和有机系超级电容器两大类。此外,根据活性材料的类型是否相同,可分为对称超级电容器和非对称超级电容器。最后,根据电解液的状态形式,又可将超级电容器分为固体电解质超级电容器和液体电解质超级电容器两大类。

  储能元件在交流电路中,平均功率为0也就是无功率消耗无能量的消耗,只有能量的转换。所以称为储能元件。最常见的储能元件是电容和电感,及化学电池含有储能元件的电路,从一种稳态变换到另一种稳态必须要一段时间,这个变换过程就是电路的过渡过程。产生过渡过程的原因是能量不能跃变,电路换路时的初始值可由换路定律来确定。电容存储的是电荷。电感存储的是磁通引起的材料极化能,空心电感的能量主要存储在电感线圈自身的材料里,有芯电感的能量主要存储在磁性材料里。

  延伸阅读

  柔性电子技术是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子,柔性电子具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足设备的形变要求。但是相应的技术要求同样制约了柔性电子的发展。

  首先,柔性电子在不损坏本身电子性能的基础上的伸展性和弯曲性,对电路的制作材料提出了新的挑战和要求;

  其次,柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能相对于传统的电子器件来说仍然不足,也是其发展的一大难题。柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术,以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景,如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴等。

  与传统IC技术一样,制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小,其关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件。


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