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可彎曲的電池與 LED 構成全可撓式電子系統

將一種新的可撓式、薄膜鋰離子電池連接到一個彈性有機 LED 上,一個來自南韓的研究團隊展示第一個功能完整的全可撓式電子系統(all-flexible electronic system,全軟性電子系統)。換句話說,他們證明了,在不需要大量電子零件的協助下,彈性顯示器與電池能完全整合在單一塑膠基質上。這項成就依賴一種新的製造方法,那使得彈性電池能與各種電極材料配合(work with),克服先前的電極限制。

研究者,來自南韓大田的 Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST),已將其可彎曲鋰離子電池的研究發表在最近一期的《Nano Letters》上。

雖然已有其他數種彈性鋰離子電池被開發出來,但在運作穩定性上,沒有一種的表現,足以使其被應用到商業化產品中,例如可捲曲(rollable)顯示器以及其它可撓式消費性電子產品。理由是,由於製造上的困難度,這些電池的電極只能以少數幾種材料製成,而且這些材料的表現也不優。如共同作者,KAIST 的 Keon Jae Lee 的解釋,某類理想的陰極材料會是鋰過渡金屬氧化物,然而,這類材料目前無法被整合到可彎曲的鋰離子電池內。

「被當成陰極使用的鋰過渡金屬氧化物,為其結晶度(crystallinity),得在高溫下處理(例如:鋰鈷氧化物約需攝氏 700 度),」 Lee 表示。「然而,要熱處理彈性基質上的活性材料(如聚合物材料)是不可能的事。」

為了克服這項限制,研究者開發出一種製造技術,允許他們熱處理電極材料,幾乎使任何材料都能拿來當電極用。這項技術,稱為萬能轉移法(universal transfer method),涉及將電池材料以有機方式沈積到脆雲母(brittle mica)基質上,與標準非可撓式電池組裝中所用的類似。接著,研究者使用膠帶將雲膜基質一層層地剝離。在大約 10 分鐘的「剝皮」後,研究者能移除所有的雲母基質而不會損害到薄膜電池。

接下來,彈性電池被轉移到一張彈性聚合物薄片上,並以另一張彈性聚合物薄片覆蓋。成果是一個彈性鋰離子電池,幾乎能以任何電極材料製成。在此,研究者把鋰鈷氧化物當陰極材料用,由於其高效能,在非可撓式鋰離子電池中,那目前是使用最廣的陰極。至於陽極,他們使用傳統的鋰。

「我們製造出一個高效能彈性鋰離子電池,利用高密度無機薄膜以萬用轉移法製成,不管電極化學成份為何,使各種不同的鋰離子電池得以實現,」Lee 表示。 「此外,為了高效能鋰離子電池,它能在聚合物基質上形成在高溫下退火的電極。」

測試時,研究者證明,新彈性鋰離子電池,具有可撓式鋰離子電池中,最高的充電電壓(4.2 V)與電荷容量(106 μAh/cm^2)。他們亦證明該電池能以高曲率角度彎曲。然而,在 100 次的充放電週期後,電池喪失掉一些容量。彎曲變形的程度,它維持在原本容量的 88.2% 與 98.4% 之間。

如研究者的解釋,幫助他們在高曲率角度下達到有史以來最高效能的一項秘訣是,將電池的活動部件置於電池薄膜的力學中立空間(mechanically neutral space)內。當電池薄膜彎曲時,平衡作用(counterbalance)在外側的伸長應變(ensile strain)與內側的收縮應變(compressive strain)之間形成,那在中間創造出一個力學上的中立平面。此外,研究者算出,在某種程度的彎曲下,收縮應力轉變成拉伸應力的那一點,其穩定性甚至比在脆弱的基質上更大。這項發現暗示,可撓式鋰離子電池也許比非可撓式鋰離子電池具有更高的穩定性與更好的效能。

為了打造首個功能完整的全可撓式電子系統,研究者將彈性鋰離子電池連結到一種可撓式有機 LED 上,後者在一種可撓的氧化銦錫基質上被製造出來。研究者接著以彈性聚合物包裹整套系統以強化力學穩定性。他們證明,甚至當電池處於彎曲狀態下,仍然可以供電給 LED。

在未來,研究者計畫改良電池效能,尤其是它的能量密度,同時研究透過一階段雷射抬昇製程(one-step laser lift-off process)而非使用膠帶,來大量製造。他們亦注意到這種新穎的萬用轉移方法能延伸到其他彈性裝置的製造,例如:薄膜奈米發電機、薄膜電晶體以及熱電裝置。

「我對於可撓式能源與自力供電之壓電能量收成,叫做奈米發電機,的結合有興趣,」Lee 表示,「全彈性電子系統及其與奈米發電機的擴充,可以預期會改變我們的日常生活。此外,為了要在消費性電子產品中實用化,增加電容量很重要。因此,這種 10 微米厚薄膜電池的 3D 堆疊,將會是一個有趣的主題。」

資料來源:Bendable battery and LED make up the first functional all-flexible electronic system. phys.org [August 10, 2012]

轉載自 only perception

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