来源：《中国科学报》

　　发布时间：2019-08-12

从二维到三维的器件构型。

　　■ 本报记者 李惠钰 刘万生

　　微型化与自供电电子系统的快速发展与高度集成化，迫切需要开发电化学微型储能器件，主要包括微型电池和微型超级电容器。其中，平面化微型电池和微型超级电容器因能直接在单一基底上与微电子器件集成，可成为独立的或补充的微电源，引起了广泛关注。

　　近日，中科院大连化物所研究员吴忠帅与中国科学院院士包信和在微型储能器件方面的研究工作受到了国际同行的关注，应邀在《先进材料》上发表题为《面向平面化微型电池和微型超级电容器的道路：从二维到三维的器件构型》的进展报告。

　　包信和在接受《中国科学报》采访时指出，微型储能器件在基本原理取得突破的基础上，一定要找到适合的应用场景，他们后续将针对特定的应用展开研究。

　　技术水平有待提高

　　微型化、柔性化电子器件的快速发展，极大刺激了人们对与之匹配的微型储能器件的需求。吴忠帅告诉《中国科学报》，微型储能器件主要包括微型电池和微型超级电容器，在微型机电系统、微型机器人、植入式医疗器件、射频识别标签、远程环境传感器、便携式和可穿戴电子产品，以及无线自供电微/纳米系统等方面提供可持续工作的动力源，实现电子器件对于柔性化、多功能化、集成化、微型化的需求。

　　此次他们的进展报告首先重点介绍了平面化微型电池和微型超级电容器的发展历程和最新进展，包括从基本原理到设计原则，从堆叠型到平面内构型（叉指型）的几何构型，以及从二维到三维的器件构型；其次，探讨了关键电极材料、电解质、器件构型、微电极制备技术，以及电极/电解质/集流体等界面对微型储能器件电化学性能的影响；最后提出了高比能与多功能化平面微型电池和微型超级电容器的技术挑战、可行性解决方案和未来的发展方向。

　　吴忠帅团队长期致力于二维材料及其微型储能器件的研究。据介绍，该团队已经取得了一系列重要的研究进展：提出了电化学剥离掺杂、超分子分级自组装、二维纳米单元软模板等新方法，制备出石墨烯和掺杂石墨烯、超分子噻吩、黑磷烯、MXene、介孔氧化物/聚合物等多种二维纳米能源材料。

　　另外，该团队还开发了紫外光还原、掩模版辅助过滤的高效制备微电极的新技术，建立了高比能、柔性化、高安全微型储能器件的构建原则，研制出多种不同平面构型的微型储能器件，如离子液体凝胶基微型超级电容器、任意形状微型超级电容器、锂离子微型电容器、锂离子微型电池、锌离子微型电池。同时，还提出了微电极、导电连接体和柔性集流体一体化构筑新策略，以及研制出高集成度化微型超级电容器模块，输出工作电压超过100伏。

　　不过，吴忠帅表示，当前，堆叠型的锂离子微型电池已经在植入型医药器件方面有部分应用，但是叉指型微型电池、其他类型的微型电池以及微型超级电容器的研究还处于实验室探索阶段，离大规模应用仍有比较长的路要走。

　　“目前，国内微型超级电容器的研究处于比较领先的位置，包括电极材料和电极制备技术，但是微型电池的研究仍落后于国外。”吴忠帅坦言。

　　吴忠帅指出，虽然微型薄膜电容器和电池具有广泛的应用，但市场缺口很大，国内企业生产技术水平仍有待提高，只有加大技术创新力度，提高产品质量，才能扩展国内市场，进军国际市场。而对于微型储能器件的规模化应用，目前仍需要解决大规模、低成本的简便制备技术，轻质的封装技术，器件的成本以及储能和产能系统之间匹配等问题。

　　自供能集成系统是主要方向

　　“为了满足各种微电子器件和微系统的运行要求，微型储能器件最大的挑战或难点在于能量密度和功率密度的提升，同时还需要解决长续航的问题，以及多功能化器件的开发，例如，柔性化、集成化和智能化。”吴忠帅称，为了实现上述目标，需要从电极材料、电极制备、电解液选择、器件构型和界面接触五个方面总体考虑。

　　吴忠帅表示，微型储能器件的电化学性能主要由活性电极材料决定。具有纳米孔结构、高导电性、体积膨胀系数小的电极材料是实现离子与电子快速传输、长续航寿命的关键，其可以在实现高能量密度的同时，保持高的功率密度。另外，还要加强大规模、快速、低成本电极制备技术的开发力度。

　　此外，他还提出要重视高离子电导率、高安全和高电压电解液的研制，尤其是水系高盐电解液和全固态电解质的研发；二维和三维器件构型和结构的优化，设计具有更短离子传输路径、更大的比表面积、拥有丰富孔道的电极构型，实现在给定面积的最大比容量和能量密度；兼容界面的设计，包括电极与集流体之间、电极与电解质之间的界面，构建良好的电子离子导电通路。

　　吴忠帅强调，随着物联网、5G智能化设备的兴起，微型储能器件未来一个主要的研究方向是独立的自供能集成系统。该系统需要有效耦合产能（太阳能电池、纳米发电机）、储能（微型储能器件）和用能（微型传感器）的集成。此外，利用固态电解质构建全固态微型储能器件，有助于自供能集成系统的实现，将会不断促进民用柔性化、微型化电子器件的智能化和未来军用装备的高度集成化。

　　根据应用场景展开研究

　　采访中，包信和强调，微型储能器件下一步的发展要瞄准特定的应用场景，注重系统集成和优化。他指出，不同的应用对电池的特性要求是不一样的，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随之发生变化。但不管怎样，提高微型储能器件“续航能力”都是非常关键的。

　　“这个方面不外乎两个主要的研究方向，一是从材料和工艺入手，提高器件的储电容量，二是从物理和控制入手，改善充电性能，例如，如果考虑植入式的应用场景，就可以考虑非接触式的充电方式。”包信和指出。

　　吴忠帅也表示，他们将针对不同的应用场景，发展特定的应用场景的能量型或功率型微型储能器件，并采取新的策略和器件，继续提高微型储能器件的续航能力，发展高容量器件和非接触的充电方式。

　　另外，微型储能器件在可穿戴电子产品、微型自驱动探测器等领域都有重要的应用前景，这也对微型储能器件制备技术提出了更高的要求。对此，苏州大学能源学院教授晏成林撰文指出，自卷曲技术在管状结构电极的制备和原位电化学研究上所表现出来的优越性，特别是在制备微型能源存储器件上的应用价值，也值得关注和深入研究。

　　晏成林表示，自卷曲技术是利用材料内部存在的残余应力而实现二维薄膜材料自行弯曲的一种方法。相比于传统微纳制备工艺，这种方法可以在微米尺度下将二维薄膜电极材料有序卷曲排列，为微型储能器件的制备提供了有效、便捷的途径。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.201900583

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