Fleksibelt batteri - arterien for forbrugerelektronik i fremtiden

Med forbedringen af ​​levestandarden og udviklingen af ​​teknologi har fleksibel elektronik fået mere og mere opmærksomhed. Fremskridtene inden for fleksibel elektronisk teknologi kan dybt ændre produktformen inden for sundhed, wearable, Internet of Everything og endda robotteknologi og har et stort markedspotentiale.

Med forbedringen af ​​levestandarden og udviklingen af ​​teknologi har fleksibel elektronik fået mere og mere opmærksomhed. Fremskridtene inden for fleksibel elektronisk teknologi kan dybt ændre produktformen inden for sundhed, wearable, Internet of Everything og endda robotteknologi og har et stort markedspotentiale.

Mange virksomheder har investeret en masse forskning og udvikling, den ene efter den anden tidlig implementering af næste generations teknologi og udvikling af nye produkter. For nylig er foldbare mobiltelefoner blevet en populær retning. Foldning er det første skridt for elektroniske produkter til at skifte fra traditionel stivhed til fleksibilitet.

Samsung Galaxy Fold og Huawei Mate X har bragt foldbare telefoner til offentlighedens syn og er virkelig kommercielle, men deres løsninger er alle hængslet på midten. Selvom der bruges et helt stykke fleksibelt OLED-display, er resten Enheden kan ikke foldes eller bøjes. På nuværende tidspunkt er den egentlige begrænsende faktor for fleksible enheder såsom fleksible mobiltelefoner ikke længere selve skærmen, men innovationen af ​​fleksibel elektronik, især fleksible batterier. Energiforsyningsbatteriet fylder ofte det meste af enhedens volumen, så det er også den mest sandsynlige væsentlige del for at opnå ægte fleksibilitet og bøjelighed. Derudover bruger bærbare enheder såsom smartwatches og smarte armbånd stadig traditionelle stive batterier, som er begrænset i størrelse, hvilket resulterer i, at batterilevetiden ofte bliver ofret. Derfor er fleksible batterier med stor kapacitet og høj fleksibilitet en revolutionerende faktor i foldbare mobiltelefoner og bærbare enheder.

1.Definition og fordele ved fleksible batterier

Fleksibelt batteri henviser generelt til batterier, der kan bøjes og bruges gentagne gange. Deres egenskaber omfatter bøjelig, strækbar, foldbar og drejelig; de kan være lithium-ion-batterier, zink-mangan-batterier eller sølv-zink-batterier eller endda Supercapacitor. Da hver del af det fleksible batteri undergår en vis deformation under folde- og strækningsprocessen, skal materialerne og strukturen af ​​hver del af det fleksible batteri opretholde ydeevnen efter flere gange med foldning og strækning. Naturligvis er de tekniske krav på dette område meget høje. Høj. Efter at det nuværende stive lithiumbatteri er blevet deformeret, vil dets ydeevne blive alvorligt beskadiget, og der kan endda være sikkerhedsrisici. Derfor kræver fleksible batterier helt nye materialer og strukturelle designs.

Sammenlignet med traditionelle stive batterier har fleksible batterier højere miljøtilpasningsevne, anti-kollisionsydelse og bedre sikkerhed. Desuden kan fleksible batterier få elektroniske produkter til at udvikle sig i en mere ergonomisk retning. Fleksible batterier kan reducere omkostningerne og mængden af ​​intelligent hardware betydeligt, tilføje nye muligheder og forbedre eksisterende muligheder, hvilket gør det muligt for innovativ hardware og den fysiske verden at opnå en hidtil uset dyb integration.

2. Markedsstørrelsen af ​​fleksible batterier

Den fleksible elektronikindustri anses for at være den næste store udviklingstrend i elektronikindustrien. De drivende faktorer for dens hurtige udvikling er den enorme markedsefterspørgsel og kraftige nationale politikker. Mange udlandet har allerede udarbejdet forskningsplaner for fleksibel elektronik. Såsom den amerikanske FDCASU-plan, Den Europæiske Unions Horizon-projekt, Sydkoreas "Korea Green IT National Strategy" og så videre, omfatter Kinas Natural Science Foundation of Chinas 12. og 13. femårsplan også fleksibel elektronik som et vigtigt forskningsområde for mikro-nano fremstilling.

Ud over at integrere elektroniske kredsløb, funktionelle materialer, mikro-nano-fremstilling og andre teknologiområder, spænder fleksibel elektronisk teknologi også over halvledere, emballage, test, tekstiler, kemikalier, trykte kredsløb, displaypaneler og andre industrier. Det vil drive et billion-dollar marked og hjælpe traditionelle sektorer med at øge merværdien af ​​industrier og bringe revolutionære ændringer til den industrielle struktur og menneskeliv. Ifølge prognoser fra autoritative organisationer vil den fleksible elektronikindustri være 46.94 milliarder USD værd i 2018 og 301 milliarder USD i 2028 med en sammensat årlig vækstrate på næsten 30 % fra 2011 til 2028 og er i en langsigtet tendens. hurtig vækst.

Fleksibelt batteri - arterien af ​​forbrugerelektronik i fremtiden 〡 Mizuki Capital original
Figur 1: Fleksibel batteriindustrikæde

Fleksibelt batteri er en vital del af området fleksibel elektronik. De kan bruges i foldbare mobiltelefoner, bærbare enheder, lyst tøj og andre områder og har en bred markedsefterspørgsel. Ifølge en forskningsrapport om prognosen for det globale fleksible batterimarked for 2020 udstedt af Markets and Markets, forventes det globale fleksible batterimarked i 2020 at nå op på 617 millioner amerikanske dollars. Fra 2015 til 2020 vil det fleksible batteri vokse med en sammensat årlig vækstrate på 53.68 %. Øge. Som en typisk downstream-industri af fleksible batterier forventes industrien for bærbare enheder at sende 280 millioner enheder i 2021. Efterhånden som traditionel hardware går ind i en flaskehalsperiode og innovative anvendelser af nye teknologier, indvarsler bærbare enheder en ny periode med hurtig udvikling. Der vil være en stor efterspørgsel efter fleksible batterier.

Den fleksible batteriindustri står dog stadig over for mange udfordringer, og det største problem er tekniske problemer. Den fleksible batteriindustri har høje adgangsbarrierer, og mange problemer som materialer, strukturer og produktionsprocesser skal løses. På nuværende tidspunkt er meget forskningsarbejde stadig på laboratoriestadiet, og der er meget få virksomheder, der kan udføre masseproduktion.

3. Teknisk retning af fleksible batterier

Den tekniske retning for at realisere fleksible eller strækbare batterier er hovedsageligt design af nye strukturer og fleksible materialer. Konkret er der primært følgende tre kategorier:

3.1. Tyndfilmsbatteri

Grundprincippet for tyndfilmsbatterier er at bruge ultratynd behandling af materialerne i hvert batterilag for at lette bøjning og for det andet forbedre cyklusydelsen ved at modificere materialet eller elektrolytten. Tyndfilmsbatterier repræsenterer hovedsageligt lithiumkeramiske batterier fra Taiwan Huineng og zinkpolymerbatterier fra Imprint Energy i USA. Fordelen ved denne type batteri er, at den kan opnå en vis grad af bøjning og er ultratynd (<1mm); Ulempen er, at IT ikke kan strække det, levetiden henfalder hurtigt efter drejning, kapaciteten er lille (milliamp-time niveau), og omkostningerne er høje.

3.2. Trykt batteri (papirbatteri)

Ligesom tyndfilmsbatterier er papirbatterier batterier, der bruger tyndfilm som bærer. Forskellen er, at en speciel blæk lavet af ledende materialer og carbon nanomaterialer er belagt på filmen under forberedelsesprocessen. Egenskaberne ved tyndfilmstrykte papirbatterier er bløde, lette og tynde. Selvom de har lavere strøm end tyndfilmsbatterier, er de mere miljøvenlige - generelt et engangsbatteri.

Papirbatterier hører til trykt elektronik, og alle deres komponenter eller dele færdiggøres med trykproduktionsmetoder. Samtidig er trykte elektroniske produkter todimensionelle og har fleksible egenskaber.

3.3. Nyt strukturdesignbatteri (fleksibelt batteri med stor kapacitet)

Tyndfilmsbatterier og trykte batterier er begrænset af volumen og kan kun opnå laveffektsprodukter. Og flere applikationsscenarier har større efterspørgsel efter enorm kraft. Dette gør ikke-tyndfilm 3D fleksible batterier til et varmt marked. For eksempel det nuværende populære, fleksible, strækbare batteri med stor kapacitet, realiseret af øens brostruktur. Princippet for dette batteri er den serie-parallelle struktur af batteripakken. Vanskeligheden ligger i den høje ledningsevne og den pålidelige forbindelse mellem batterierne, som kan strække sig og bøjes, og det ydre. Beskyt pakkens design. Fordelen ved denne type batteri er, at den kan strække, bøje og vride. Når du drejer, påvirker det kun at bøje stikket ikke selve batteriets levetid. Det har en stor kapacitet (ampere-time niveau) og lave omkostninger; Ulempen er, at den lokale blødhed ikke er så god som et ultratyndt batteri. Vær lille. Der er også en origami-struktur, som folder 2D-dimensionelt papir til forskellige former i 3D-rum ved at folde og bøje. Denne origami-teknologi anvendes på lithium-ion-batterier, og strømaftageren, den positive elektrode, den negative elektrode osv. foldes efter forskellige foldningsvinkler. Når det er strakt og bøjet, kan batteriet modstå et stort pres på grund af foldeeffekten og har god elasticitet. Vil ikke påvirke ydeevnen. Derudover vedtager de ofte en bølgeformet struktur, det vil sige en bølgeformet strækbar struktur. Det aktive materiale påføres det bølgeformede metalstangstykke for at lave en strækbar elektrode. Lithiumbatteriet baseret på denne struktur er blevet strakt og bøjet mange gange. Det kan stadig opretholde en god cykluskapacitet.

Ultratynde batterier bruges generelt i tynde elektroniske produkter såsom elektroniske kort, trykte batterier bruges typisk i engangsscenarier såsom RFID-tags, og fleksible batterier med stor kapacitet bruges hovedsageligt i intelligente elektroniske produkter såsom ure og mobiltelefoner der kræver stor kapacitet. Overlegen.

4. Det konkurrencedygtige landskab af fleksible batterier

Det fleksible batterimarked er stadig ved at opstå, og de deltagende aktører er primært traditionelle batteriproducenter, teknologigiganter og nystartede virksomheder. Der er dog i øjeblikket ingen dominerende producent globalt, og kløften mellem virksomhederne er ikke stor, og de er som udgangspunkt i R&D-stadiet.

Fra et regionalt perspektiv er den nuværende forskning og udvikling af fleksible batterier hovedsageligt koncentreret i USA, Sydkorea og Taiwan, såsom Imprint Energy i USA, Hui Neng Taiwan, LG Chem i Sydkorea osv. Teknologigiganter som Apple, Samsung og Panasonic anvender også aktivt fleksible batterier. Det kinesiske fastland har foretaget visse udviklinger inden for papirbatterier. Børsnoterede virksomheder som Evergreen og Jiulong Industrial har været i stand til at opnå masseproduktion. Adskillige nystartede virksomheder er også dukket op i andre tekniske retninger, såsom Beijing Xujiang Technology Co., Ltd., Soft Electronics Technology og Jizhan Technology. Samtidig udvikler betydelige videnskabelige forskningsinstitutioner også nye teknologiske retninger.

Det følgende vil kort analysere og sammenligne produkterne og virksomhedens dynamik hos flere store udviklere inden for fleksible batterier:

Taiwan Huineng

FLCB blød plade lithium keramisk batteri

1. Det solid-state lithium-keramiske batteri er forskelligt fra den flydende elektrolyt, der bruges i det tilgængelige lithium-batteri. Det vil ikke lække, selvom det er knækket, ramt, punkteret eller brændt og vil ikke antænde, brænde eller eksplodere. God sikkerhedsydelse
2. Ultratynd, den tyndeste kan nå 0.38 mm
3. Batteritætheden er ikke så høj som for lithium-batterier. De 33 mm34mm0.38 mm lithium keramisk batteri har en kapacitet på 10.5 mAh og en energitæthed på 91Wh/L.
4. Det er ikke fleksibelt; det kan kun bøjes og kan ikke strækkes, komprimeres eller vrides.

I anden halvdel af 2018 skal du bygge verdens første superfabrik af solid-state lithium-keramiske batterier.

Sydkorea LG Chem

Kabel batteri

1. Den har fremragende fleksibilitet og kan modstå en vis grad af stræk
2. Det er mere fleksibelt og behøver ikke at placeres i elektronisk udstyr som traditionelle lithium-ion-batterier. Den kan placeres hvor som helst og kan godt integreres i produktdesignet.
3. Kabelbatteri har lille kapacitet og høje produktionsomkostninger
4. Ingen energiproduktion endnu

Imprint Energy, USA

Zink polymer batteri

1. Ultratynd, god dynamisk bøjningssikkerhedsydelse
2. Zink er mindre giftigt end lithiumbatterier og er et sikrere valg til udstyr, der bæres på mennesker

De ultratynde egenskaber begrænser batterikapaciteten, og zinkbatteriets sikkerhedsydelse kræver stadig langvarig markedsinspektion. Lang produktkonverteringstid

Gå sammen med Semtech for at komme ind på feltet Internet of Things

Jiangsu Enfusai Printing Electronics Co., Ltd.

Papir batteri

1. Er blevet masseproduceret og har været brugt i RFID-tags, medicinske og andre områder

Den kan tilpasse 2. Størrelsen, tykkelsen og formen er i henhold til brugernes behov, og den kan justere placeringen af ​​batteriets positive og negative elektroder.

1. Papirbatteriet er til engangsbrug og kan ikke genoplades
2. Strømmen er lille, og brugsscenarierne er begrænsede. Det kan kun gælde for RFID elektroniske tags, sensorer, smart cards, innovativ emballage osv.
3. Gennemfør det helejede opkøb af Enfucell i Finland i 2018
4. Modtog 70 millioner RMB i finansiering i 2018

HOPPT BATTERY

3D-print batteri

1. Lignende 3D-printproces og nanofiberforstærkningsteknologi
2. Fleksibelt lithiumbatteri har karakteristika af let, tyndt og fleksibelt

5. Den fremtidige udvikling af fleksible batterier

På nuværende tidspunkt har fleksible batterier stadig en lang vej at gå med elektrokemiske ydeevneindikatorer som batterikapacitet, energitæthed og cykluslevetid. De batterier, der er udviklet i de eksisterende laboratorier, har generelt høje proceskrav, lav produktionseffektivitet og høje omkostninger, som er uegnede til storindustriel produktion. I fremtiden er banebrydende retninger på udkig efter fleksible elektrodematerialer og faste elektrolytter med fremragende omfattende ydeevne, innovativt batteristrukturdesign og udvikling af nye solid-state batteriforberedelsesprocesser.

Derudover er det vigtigste smertepunkt i den nuværende batteriindustri batterilevetiden. Batteriproducenter, der kan opnå en fordelagtig position, skal i fremtiden løse problemet med batterilevetid og fleksibel produktion på samme tid. Anvendelsen af ​​nye energikilder (såsom solenergi og bioenergi) eller nye materialer (såsom grafen) forventes at løse disse to problemer samtidigt.

Fleksible batterier er ved at blive aorta for forbrugerelektronik i fremtiden. I en overskuelig fremtid vil teknologiske gennembrud inden for hele området for fleksibel elektronik repræsenteret ved fleksible batterier uundgåeligt medføre enorme ændringer i upstream- og downstream-industrien.