Elastyczny akumulator – arteria elektroniki użytkowej w przyszłości

Wraz z poprawą standardów życia i rozwojem technologii coraz więcej uwagi poświęca się elastycznej elektronice. Postęp elastycznej technologii elektronicznej może dogłębnie zmienić formę produktu w zakresie zdrowia, urządzeń do noszenia, Internetu wszystkiego, a nawet robotyki i ma ogromny potencjał rynkowy.

Wraz z poprawą standardów życia i rozwojem technologii coraz więcej uwagi poświęca się elastycznej elektronice. Postęp elastycznej technologii elektronicznej może dogłębnie zmienić formę produktu w zakresie zdrowia, urządzeń do noszenia, Internetu wszystkiego, a nawet robotyki i ma ogromny potencjał rynkowy.

Wiele firm zainwestowało wiele w badania i rozwój, jedno po drugim wczesne wdrażanie technologii nowej generacji i rozwój nowych produktów. Ostatnio ulubionym kierunkiem stały się składane telefony komórkowe. Składanie to pierwszy krok w kierunku przejścia produktów elektronicznych od tradycyjnej sztywności do elastyczności.

Samsung Galaxy Fold i Huawei Mate X udostępniły publiczności składane telefony i są naprawdę komercyjne, ale ich rozwiązania są podzielone na zawiasach. Chociaż wykorzystano cały kawałek elastycznego wyświetlacza OLED, reszta to urządzenie nie można złożyć ani zgiąć. Obecnie prawdziwym czynnikiem ograniczającym elastyczne urządzenia, takie jak elastyczne telefony komórkowe, nie jest już sam ekran, ale innowacja elastycznej elektroniki, zwłaszcza elastycznych baterii. Bateria zasilająca często zajmuje większość objętości urządzenia, więc jest to również najprawdopodobniej kluczowa część w osiągnięciu prawdziwej elastyczności i podatności na zginanie. Ponadto urządzenia do noszenia, takie jak smartwatche i inteligentne bransoletki, nadal korzystają z tradycyjnych sztywnych baterii, których rozmiar jest ograniczony, co często skutkuje poświęceniem żywotności baterii. Dlatego elastyczne baterie o dużej pojemności i wysokiej elastyczności są rewolucyjnym czynnikiem w składanych telefonach komórkowych i urządzeniach do noszenia.

1. Definicja i zalety elastycznych baterii

Elastyczna bateria ogólnie odnoszą się do baterii, które można zginać i używać wielokrotnie. Ich właściwości obejmują zginanie, rozciąganie, składanie i skręcanie; mogą to być baterie litowo-jonowe, baterie cynkowo-manganowe lub srebrno-cynkowe, a nawet superkondensatory. Ponieważ każda część elastycznego akumulatora ulega pewnemu odkształceniu podczas procesu składania i rozciągania, materiały i struktura każdej części elastycznego akumulatora muszą zachowywać wydajność po kilkukrotnym składaniu i rozciąganiu. Oczywiście wymagania techniczne w tej dziedzinie są bardzo wysokie. Wysoki. Po odkształceniu obecnej sztywnej baterii litowej jej wydajność zostanie poważnie uszkodzona, a nawet mogą wystąpić zagrożenia bezpieczeństwa. Dlatego elastyczne akumulatory wymagają zupełnie nowych materiałów i projektów konstrukcyjnych.

W porównaniu z tradycyjnymi sztywnymi bateriami, elastyczne baterie mają wyższą zdolność przystosowania się do środowiska, odporność na kolizje i większe bezpieczeństwo. Co więcej, elastyczne baterie mogą sprawić, że produkty elektroniczne będą rozwijać się w bardziej ergonomicznym kierunku. Elastyczne baterie mogą znacznie obniżyć koszty i ilość inteligentnego sprzętu, dodać nowe możliwości i ulepszyć istniejące, umożliwiając innowacyjnemu sprzętowi i światu fizycznemu osiągnięcie bezprecedensowo głębokiej integracji.

2. Wielkość rynku elastycznych baterii

Elastyczny przemysł elektroniczny jest uważany za kolejny ważny trend rozwojowy przemysłu elektronicznego. Czynnikami napędzającymi jego szybki rozwój są ogromne zapotrzebowanie rynku i energiczna polityka krajowa. Wiele innych krajów opracowało już plany badań nad elastyczną elektroniką. Taki jak amerykański plan FDCASU, projekt Horizon Unii Europejskiej, Koreańska „Krajowa strategia zielonego IT” itd., chińska Fundacja Nauk Przyrodniczych 12. i 13. pięcioletniego planu Chin obejmuje również elastyczną elektronikę jako ważny produkcja mikro-nano.

Oprócz integracji obwodów elektronicznych, materiałów funkcjonalnych, produkcji mikro-nano i innych dziedzin technologii, elastyczna technologia elektroniczna obejmuje również półprzewodniki, opakowania, testy, tekstylia, chemikalia, obwody drukowane, wyświetlacze i inne branże. Będzie napędzać rynek o wartości bilionów dolarów i wspierać sektory tradycyjne w zwiększaniu wartości dodanej przemysłu i wprowadzaniu rewolucyjnych zmian w strukturze przemysłowej i życiu ludzkim. Według prognoz autorytatywnych organizacji, branża elastycznej elektroniki będzie warta 46.94 mld USD w 2018 r. i 301 mld USD w 2028 r., ze złożonym rocznym tempem wzrostu wynoszącym prawie 30% od 2011 do 2028 r. i znajduje się w trendzie długoterminowym. Szybki wzrost.

Elastyczny akumulator - tętnica elektroniki użytkowej w przyszłości 〡 Mizuki Capital oryginał
Rysunek 1: Elastyczny łańcuch przemysłu akumulatorów

Elastyczne baterie są istotną częścią dziedziny elastycznej elektroniki. Mogą być używane w składanych telefonach komórkowych, urządzeniach do noszenia, jasnej odzieży i innych obszarach i mają szerokie zapotrzebowanie na rynku. Według raportu badawczego dotyczącego prognozy globalnego rynku elastycznych baterii na rok 2020 opublikowanej przez Markets and Markets, do 2020 roku globalny rynek elastycznych baterii ma osiągnąć wartość 617 milionów dolarów amerykańskich. Od 2015 do 2020 r. elastyczny akumulator będzie rósł w łącznym rocznym tempie wzrostu wynoszącym 53.68%. Zwiększyć. Jako typowy przemysł niższego szczebla elastycznych baterii, przemysł urządzeń do noszenia ma dostarczyć 280 milionów sztuk w 2021 r. Ponieważ tradycyjny sprzęt wchodzi w okres wąskiego gardła, a innowacyjne zastosowania nowych technologii, urządzenia do noszenia zapoczątkują nowy okres szybkiego rozwoju. Pojawi się zapotrzebowanie na elastyczne baterie na dużą skalę.

Jednak branża baterii elastycznych wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami, a największym problemem są problemy techniczne. Branża baterii elastycznych ma wysokie bariery wejścia, a wiele problemów, takich jak materiały, konstrukcje i procesy produkcyjne, wymaga rozwiązania. Obecnie wiele prac badawczych jest jeszcze na etapie laboratoryjnym, a firm, które mogą prowadzić masową produkcję, jest bardzo niewiele.

3. Kierunek techniczny elastycznych baterii

Technicznym kierunkiem realizacji baterii elastycznych lub rozciągliwych jest głównie projektowanie nowych konstrukcji i materiałów elastycznych. W szczególności istnieją trzy następujące kategorie:

3.1. Cienka bateria filmowa

Podstawową zasadą akumulatorów cienkowarstwowych jest stosowanie ultracienkiej obróbki materiałów w każdej warstwie akumulatora, aby ułatwić zginanie, a po drugie, poprawić wydajność cyklu poprzez modyfikację materiału lub elektrolitu. Baterie cienkowarstwowe reprezentują głównie baterie litowo-ceramiczne z Taiwan Huineng i baterie cynkowo-polimerowe z Imprint Energy w Stanach Zjednoczonych. Zaletą tego rodzaju baterii jest to, że może osiągnąć pewien stopień wygięcia i jest ultracienka (<1mm); wadą jest to, że IT nie może go rozciągnąć, żywotność szybko się kończy, pojemność jest niewielka (poziom miliamperogodzin), a koszt jest wysoki.

3.2. Wydrukowana bateria (bateria papierowa)

Podobnie jak baterie cienkowarstwowe, baterie papierowe to baterie wykorzystujące cienką warstwę jako nośnik. Różnica polega na tym, że podczas procesu przygotowania na folię powlekany jest specjalny atrament wykonany z materiałów przewodzących i nanomateriałów węglowych. Baterie z cienkowarstwowego papieru drukowanego mają właściwości miękkie, lekkie i cienkie. Chociaż mają mniejszą moc niż baterie cienkowarstwowe, są bardziej przyjazne dla środowiska — zazwyczaj są to baterie jednorazowe.

Baterie papierowe należą do elektroniki drukowanej, a wszystkie ich komponenty lub części są uzupełniane metodami drukowania. Jednocześnie drukowane produkty elektroniczne są dwuwymiarowe i mają elastyczne właściwości.

3.3.Nowa bateria do projektowania konstrukcji (elastyczna bateria o dużej pojemności)

Baterie cienkowarstwowe i baterie z nadrukiem są ograniczone objętościowo i mogą zapewnić jedynie produkty o niskim poborze mocy. Coraz więcej scenariuszy zastosowań wiąże się z większym zapotrzebowaniem na ogromną moc. To sprawia, że ​​elastyczne baterie 3D bez cienkiej folii to gorący rynek. Na przykład obecnie popularna, elastyczna, rozciągliwa bateria o dużej pojemności, zrealizowana przez konstrukcję mostu wyspowego. Zasadą tej baterii jest szeregowo-równoległa struktura zestawu baterii. Trudność polega na wysokiej przewodności i niezawodnym połączeniu między bateriami, które mogą się rozciągać i zginać, a zewnętrzną konstrukcją opakowania. Zaletą tego typu baterii jest to, że może się rozciągać, zginać i skręcać. Podczas skręcania samo wygięcie złącza nie wpływa na żywotność samego akumulatora. Ma dużą pojemność (poziom amperogodzin) i niski koszt; wadą jest to, że lokalna miękkość nie jest tak dobra jak ultracienka bateria. Bądź mały. Istnieje również struktura origami, która składa dwuwymiarowy papier w różne kształty w przestrzeni 2D poprzez składanie i zginanie. Ta technologia origami jest stosowana do akumulatorów litowo-jonowych, a kolektor prądu, elektroda dodatnia, elektroda ujemna itp. są składane pod różnymi kątami składania. Po rozciągnięciu i zgięciu bateria może wytrzymać duży nacisk ze względu na efekt składania i ma dobrą elastyczność. Nie wpłynie na wydajność. Ponadto często przyjmują one strukturę falistą, to znaczy rozciągliwą strukturę falową. Aktywny materiał jest nakładany na falisty metalowy nabiegunnik w celu wytworzenia rozciągliwej elektrody. Bateria litowa oparta na tej konstrukcji była wielokrotnie rozciągana i wyginana. Nadal może utrzymać dobrą wydajność cyklu.

Ultracienkie baterie są zwykle używane w cienkich produktach elektronicznych, takich jak karty elektroniczne, drukowane baterie są zwykle używane w scenariuszach jednorazowego użytku, takich jak tagi RFID, a elastyczne baterie o dużej pojemności są używane głównie w inteligentnych produktach elektronicznych, takich jak zegarki i telefony komórkowe które wymagają dużej pojemności. Znakomity.

4. Konkurencyjny krajobraz elastycznych baterii

Elastyczny rynek baterii wciąż się rozwija, a uczestniczący w nim gracze to głównie tradycyjni producenci baterii, giganci technologiczni i start-upy. Jednak obecnie na świecie nie ma dominującego producenta, a przepaść między firmami nie jest duża i znajdują się one w zasadzie na etapie badań i rozwoju.

Z perspektywy regionalnej obecne badania i rozwój elastycznych baterii koncentrują się głównie w Stanach Zjednoczonych, Korei Południowej i na Tajwanie, np. Imprint Energy w Stanach Zjednoczonych, Hui Neng na Tajwanie, LG Chem w Korei Południowej itp. Giganci technologiczni tacy jak Apple, Samsung i Panasonic również aktywnie wdrażają elastyczne baterie. Chiny kontynentalne poczyniły pewne postępy w dziedzinie baterii papierowych. Spółki giełdowe, takie jak Evergreen i Jiulong Industrial, były w stanie osiągnąć masową produkcję. Kilka start-upów pojawiło się również w innych kierunkach technicznych, takich jak Beijing Xujiang Technology Co., Ltd., Soft Electronics Technology i Jizhan Technology. Jednocześnie znaczące instytucje naukowo-badawcze rozwijają także nowe kierunki technologiczne.

Poniżej pokrótce przeanalizujemy i porównamy produkty i dynamikę firmy kilku głównych deweloperów w dziedzinie baterii elastycznych:

Tajwan Huineng

Bateria litowo-ceramiczna z miękką płytą FLCB

1. Litowo-ceramiczna bateria litowo-ceramiczna różni się od ciekłego elektrolitu stosowanego w dostępnej baterii litowej. Nie wycieknie, nawet jeśli zostanie złamany, uderzony, przebity lub spalony i nie zapali się, nie spali ani nie eksploduje. Dobre wyniki w zakresie bezpieczeństwa
2. Ultracienki, najcieńszy może osiągnąć 0.38 mm
3. Gęstość baterii nie jest tak wysoka jak w przypadku baterii litowych. 33mm34mmBateria litowo-ceramiczna 0.38 mm ma pojemność 10.5 mAh i gęstość energii 91 Wh/L.
4. Nie jest elastyczny; można go tylko zginać i nie można go rozciągać, ściskać ani skręcać.

W drugiej połowie 2018 r. zbuduj pierwszą na świecie superfabrykę litowo-ceramicznych baterii litowych.

Korea Południowa LG Chem

Bateria kablowa

1. Ma doskonałą elastyczność i może wytrzymać pewien stopień rozciągania
2. Jest bardziej elastyczny i nie musi być umieszczany w urządzeniach elektronicznych jak tradycyjne baterie litowo-jonowe. Można go umieścić w dowolnym miejscu i można go dobrze zintegrować z projektem produktu.
3. Akumulator kablowy ma małą pojemność i wysoki koszt produkcji
4. Brak produkcji energii

Odcisk Energy, USA

Bateria cynkowo-polimerowa

1. Bardzo cienka, dobra dynamiczna wydajność bezpieczeństwa zginania
2. Cynk jest mniej toksyczny niż baterie litowe i jest bezpieczniejszym wyborem dla sprzętu noszonego przez ludzi

Ultracienka charakterystyka ogranicza pojemność baterii, a bezpieczeństwo baterii cynkowej nadal wymaga długoterminowej kontroli rynku. Długi czas konwersji produktu

Połącz ręce z Semtech, aby wejść na pole Internetu Rzeczy

Jiangsu Enfusai Printing Electronics Co., Ltd.

Bateria papierowa

1. Został wyprodukowany masowo i został wykorzystany w tagach RFID, medycynie i innych dziedzinach

Może dostosować 2. Rozmiar, grubość i kształt są zgodne z potrzebami użytkowników i można dostosować położenie dodatnich i ujemnych elektrod akumulatora.

1. Bateria papierowa jest przeznaczona do jednorazowego użytku i nie można jej naładować
2. Moc jest niewielka, a scenariusze użytkowania ograniczone. Może dotyczyć tylko elektronicznych tagów RFID, czujników, kart inteligentnych, innowacyjnych opakowań itp.
3. Zakończenie przejęcia w całości spółki Enfucell w Finlandii w 2018 r.
4. Otrzymano finansowanie w wysokości 70 mln RMB w 2018 r.

HOPPT BATTERY

Bateria do drukowania 3D

1. Podobny proces drukowania 3D i technologia wzmacniania nanowłókien
2. Elastyczna bateria litowa ma właściwości lekkie, cienkie i elastyczne

5. Przyszły rozwój elastycznych baterii

Obecnie elastyczne akumulatory wciąż mają długą drogę do przebycia w zakresie elektrochemicznych wskaźników wydajności, takich jak pojemność akumulatora, gęstość energii i cykl życia. Baterie opracowane w istniejących laboratoriach mają na ogół wysokie wymagania procesowe, niską wydajność produkcji i wysokie koszty, które nie są odpowiednie do produkcji przemysłowej na dużą skalę. W przyszłości przełomowymi kierunkami są poszukiwanie elastycznych materiałów elektrodowych i elektrolitów stałych o doskonałej, wszechstronnej wydajności, innowacyjnej konstrukcji struktury baterii oraz opracowywanie nowych procesów przygotowania baterii półprzewodnikowych.

Ponadto najważniejszym problemem obecnego przemysłu baterii jest żywotność baterii. W przyszłości producenci akumulatorów, którzy mogą osiągnąć korzystną pozycję, muszą jednocześnie rozwiązać problem żywotności akumulatorów i elastycznej produkcji. Oczekuje się, że zastosowanie nowych źródeł energii (takich jak energia słoneczna i bioenergia) lub nowych materiałów (takich jak grafen) rozwiąże te dwa problemy jednocześnie.

Baterie elastyczne stają się w przyszłości aortą elektroniki użytkowej. W dającej się przewidzieć przyszłości przełomy technologiczne w całej dziedzinie elastycznej elektroniki reprezentowanej przez elastyczne baterie nieuchronnie spowodują ogromne zmiany w branżach upstream i downstream.