بطارية مرنة - شريان الإلكترونيات الاستهلاكية في المستقبل

مع تحسين مستويات المعيشة وتطوير التكنولوجيا ، تلقت الإلكترونيات المرنة المزيد والمزيد من الاهتمام. يمكن للتقدم في التكنولوجيا الإلكترونية المرنة أن يغير بشكل عميق شكل المنتج في الصحة ، والأجهزة القابلة للارتداء ، وإنترنت كل شيء ، وحتى الروبوتات ، ولديه إمكانات سوقية واسعة.

مع تحسين مستويات المعيشة وتطوير التكنولوجيا ، تلقت الإلكترونيات المرنة المزيد والمزيد من الاهتمام. يمكن للتقدم في التكنولوجيا الإلكترونية المرنة أن يغير بشكل عميق شكل المنتج في الصحة ، والأجهزة القابلة للارتداء ، وإنترنت كل شيء ، وحتى الروبوتات ، ولديه إمكانات سوقية واسعة.

لقد استثمرت العديد من الشركات الكثير من البحث والتطوير ، واحدة تلو الأخرى في النشر المبكر لتكنولوجيا الجيل التالي وتطوير المنتجات الجديدة. في الآونة الأخيرة ، أصبحت الهواتف المحمولة القابلة للطي الاتجاه المفضل. الطي هو الخطوة الأولى للمنتجات الإلكترونية للتحول من الصلابة التقليدية إلى المرونة.

لقد قام كل من Samsung Galaxy Fold و Huawei Mate X بإحضار هواتف قابلة للطي إلى الجمهور وهي تجارية حقًا ، لكن حلولهم كلها تتوقف على النصف. على الرغم من استخدام جزء كامل من شاشة OLED المرنة ، إلا أن الباقي هو الجهاز لا يمكن طيه أو ثنيه. في الوقت الحاضر ، لم يعد العامل المحدد الحقيقي للأجهزة المرنة مثل الهواتف المحمولة المرنة هو الشاشة نفسها ولكن ابتكار الإلكترونيات المرنة ، وخاصة البطاريات المرنة. غالبًا ما تشغل بطارية إمداد الطاقة معظم حجم الجهاز ، لذا فهي أيضًا الجزء الأساسي على الأرجح في تحقيق المرونة والانحناء الحقيقيين. بالإضافة إلى ذلك ، لا تزال الأجهزة القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية والأساور الذكية تستخدم بطاريات صلبة تقليدية ، محدودة الحجم ، مما يؤدي إلى التضحية بعمر البطارية في كثير من الأحيان. لذلك ، تعد البطاريات المرنة ذات السعة الكبيرة والمرونة العالية عاملاً ثوريًا في الهواتف المحمولة القابلة للطي والأجهزة القابلة للارتداء.

1- تعريف ومزايا البطاريات المرنة

بطارية مرنة تشير بشكل عام إلى البطاريات التي يمكن ثنيها واستخدامها بشكل متكرر. وتشمل خصائصها الانحناء ، والمط ، والطي ، والالتواء. يمكن أن تكون بطاريات ليثيوم أيون أو بطاريات الزنك والمنغنيز أو بطاريات الفضة والزنك أو حتى Supercapacitor. نظرًا لأن كل جزء من أجزاء البطارية المرنة يخضع لتشوه معين أثناء عملية الطي والتمدد ، يجب أن تحافظ المواد وهيكل كل جزء من البطارية المرنة على الأداء بعد عدة مرات من الطي والتمدد. بطبيعة الحال ، فإن المتطلبات الفنية في هذا المجال مرتفعة للغاية. متوسط. بعد أن تتعرض بطارية الليثيوم الصلبة الحالية للتشوه ، سيتعرض أداؤها لأضرار بالغة ، وقد تكون هناك مخاطر تتعلق بالسلامة. لذلك ، تتطلب البطاريات المرنة مواد وتصميمات هيكلية جديدة تمامًا.

بالمقارنة مع البطاريات الصلبة التقليدية ، تتمتع البطاريات المرنة بقدرة أعلى على التكيف مع البيئة ، وأداء مضاد للتصادم ، وسلامة أفضل. علاوة على ذلك ، يمكن للبطاريات المرنة أن تجعل المنتجات الإلكترونية تتطور في اتجاه أكثر راحة. يمكن للبطاريات المرنة أن تقلل بشكل كبير من تكلفة وحجم الأجهزة الذكية ، وتضيف قدرات جديدة وتحسن القدرات الحالية ، وتمكين الأجهزة المبتكرة والعالم المادي من تحقيق تكامل عميق غير مسبوق.

2. حجم السوق للبطاريات المرنة

تعتبر صناعة الإلكترونيات المرنة هي الاتجاه الرئيسي التالي للتنمية في صناعة الإلكترونيات. العوامل الدافعة لتطورها السريع هي الطلب الكبير في السوق والسياسات الوطنية القوية. لقد صاغت العديد من الدول الأجنبية بالفعل خططًا بحثية للإلكترونيات المرنة. مثل خطة FDCASU الأمريكية ، ومشروع Horizon للاتحاد الأوروبي ، و "كوريا الجنوبية الاستراتيجية الوطنية لتكنولوجيا المعلومات الخضراء" ، وما إلى ذلك ، تتضمن مؤسسة العلوم الطبيعية الصينية للخطة الخمسية الثانية عشرة والثالثة عشرة للصين أيضًا الإلكترونيات المرنة كمجال بحث مهم تصنيع النانو الدقيقة.

بالإضافة إلى دمج الدوائر الإلكترونية والمواد الوظيفية وتصنيع النانو الدقيقة ومجالات التكنولوجيا الأخرى ، تشمل التكنولوجيا الإلكترونية المرنة أيضًا أشباه الموصلات والتعبئة والاختبار والمنسوجات والمواد الكيميائية والدوائر المطبوعة ولوحات العرض وغيرها من الصناعات. سيقود سوقًا بقيمة تريليون دولار ويساعد القطاعات التقليدية في تعزيز القيمة المضافة للصناعات وإحداث تغييرات ثورية في الهيكل الصناعي والحياة البشرية. وفقًا لتوقعات المنظمات الرسمية ، ستبلغ قيمة صناعة الإلكترونيات المرنة 46.94 مليار دولار أمريكي في عام 2018 و 301 مليار دولار أمريكي في عام 2028 ، بمعدل نمو سنوي مركب يقارب 30٪ من عام 2011 إلى عام 2028 ، وهي في اتجاه طويل الأجل. نمو سريع.

بطارية مرنة - شريان الإلكترونيات الاستهلاكية في المستقبل 〡 Mizuki Capital الأصلي
الشكل 1: سلسلة صناعة البطاريات المرنة

تعد البطارية المرنة جزءًا حيويًا من مجال الإلكترونيات المرنة. يمكن استخدامها في الهواتف المحمولة القابلة للطي ، والأجهزة القابلة للارتداء ، والملابس البراقة ، وغيرها من المجالات ولها طلب واسع في السوق. وفقًا لتقرير بحثي حول توقعات السوق العالمية للبطاريات المرنة لعام 2020 الصادر عن الأسواق والأسواق ، بحلول عام 2020 ، من المتوقع أن يصل سوق البطاريات المرنة العالمية إلى 617 مليون دولار أمريكي. من عام 2015 إلى عام 2020 ، ستنمو البطاريات المرنة بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 53.68٪. زيادة. كصناعة نموذجية للبطاريات المرنة ، من المتوقع أن تشحن صناعة الأجهزة القابلة للارتداء 280 مليون وحدة في عام 2021. مع دخول الأجهزة التقليدية فترة الاختناق والتطبيقات المبتكرة للتقنيات الجديدة ، تستهل الأجهزة القابلة للارتداء فترة جديدة من التطور السريع. سيكون هناك طلب واسع النطاق على البطاريات المرنة.

ومع ذلك ، لا تزال صناعة البطاريات المرنة تواجه العديد من التحديات ، والمشكلة الأكبر هي المشكلات الفنية. تحتوي صناعة البطاريات المرنة على حواجز عالية للدخول ، والعديد من القضايا مثل المواد والهياكل وعمليات الإنتاج تحتاج إلى حل. في الوقت الحاضر ، لا يزال الكثير من العمل البحثي في ​​مرحلة المختبر ، وهناك عدد قليل جدًا من الشركات التي يمكنها تنفيذ الإنتاج الضخم.

3. الاتجاه الفني للبطاريات المرنة

يتمثل الاتجاه التقني لتحقيق البطاريات المرنة أو القابلة للمط بشكل أساسي في تصميم الهياكل الجديدة والمواد المرنة. على وجه التحديد ، هناك الفئات الثلاث التالية بشكل أساسي:

3.1. بطارية فيلم رقيقة

يتمثل المبدأ الأساسي لبطاريات الأغشية الرقيقة في استخدام معالجة فائقة الرقة للمواد في كل طبقة بطارية لتسهيل الانحناء ، وثانيًا ، تحسين أداء الدورة عن طريق تعديل المادة أو الإلكتروليت. تمثل البطاريات ذات الأغشية الرقيقة بشكل أساسي بطاريات الليثيوم الخزفية من بطاريات Huineng التايوانية وبطاريات الزنك البوليمر من شركة Imprint Energy في الولايات المتحدة. ميزة هذا النوع من البطاريات هي أنه يمكن أن يحقق درجة معينة من الانحناء وهو نحيف للغاية (<1 مم) ؛ العيب هو أن تكنولوجيا المعلومات لا تستطيع تمديدها ، والحياة تتحلل بسرعة بعد الدوران ، والسعة صغيرة (مستوى ملي أمبير في الساعة) ، والتكلفة مرتفعة.

3.2.بطارية مطبوعة (بطارية ورقية)

مثل البطاريات الرقيقة ، البطاريات الورقية عبارة عن بطاريات تستخدم غشاء رقيق كحامل. الفرق هو أن حبرًا خاصًا مصنوعًا من مواد موصلة ومواد نانوية كربونية مطلية على الفيلم أثناء عملية التحضير. تتميز البطاريات الورقية المطبوعة ذات الأغشية الرقيقة بأنها ناعمة وخفيفة ورقيقة. على الرغم من أنها تتمتع بطاقة أقل من البطاريات ذات الأغشية الرقيقة ، إلا أنها أكثر صداقة للبيئة — بشكل عام بطارية يمكن التخلص منها.

تنتمي البطاريات الورقية إلى الأجهزة الإلكترونية المطبوعة ، ويتم استكمال جميع مكوناتها أو أجزائها بطرق إنتاج الطباعة. في الوقت نفسه ، تكون المنتجات الإلكترونية المطبوعة ثنائية الأبعاد ولها خصائص مرنة.

3.3.New هيكل تصميم البطارية (بطارية كبيرة السعة المرنة)

البطاريات ذات الأغشية الرقيقة والبطاريات المطبوعة محدودة من حيث الحجم ويمكنها فقط تحقيق منتجات منخفضة الطاقة. والمزيد من سيناريوهات التطبيق تتطلب مزيدًا من الطاقة الهائلة. هذا يجعل البطاريات المرنة ثلاثية الأبعاد غير الرقيقة سوقًا ساخنة. على سبيل المثال ، البطارية المرنة الحالية ذات السعة الكبيرة والمطاطة التي تم تحقيقها من خلال هيكل جسر الجزيرة. مبدأ هذه البطارية هو الهيكل المتسلسل المتوازي لحزمة البطارية. تكمن الصعوبة في الموصلية العالية والارتباط الموثوق به بين البطاريات ، التي يمكن أن تتمدد وتنحني ، والتصميم الخارجي لحماية العبوة. تتمثل ميزة هذا النوع من البطاريات في قدرتها على التمدد والانحناء والالتواء. عند الدوران ، لا يؤثر ثني الموصل فقط على عمر البطارية نفسها. لها سعة كبيرة (مستوى أمبير ساعة) وتكلفة منخفضة ؛ العيب هو أن النعومة المحلية ليست جيدة مثل بطارية فائقة الرقة. كن صغيرا. يوجد أيضًا هيكل أوريغامي ، يقوم بطي الورق ثنائي الأبعاد إلى أشكال مختلفة في مساحة ثلاثية الأبعاد عن طريق الطي والانحناء. يتم تطبيق تقنية الأوريغامي هذه على بطاريات أيونات الليثيوم ، ويتم طي جامع التيار ، والإلكترود الموجب ، والإلكترود السالب ، وما إلى ذلك ، وفقًا لزوايا طي مختلفة. عند التمدد والانحناء ، يمكن للبطارية أن تتحمل الكثير من الضغط بسبب تأثير الطي وتتمتع بمرونة جيدة. لن يؤثر على الأداء. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها غالبًا ما تتبنى هيكلًا على شكل موجة ، أي هيكل قابل للتمدد على شكل موجة. يتم تطبيق المادة الفعالة على قطعة القطب المعدني ذات الشكل الموجي لعمل قطب كهربائي قابل للمط. بطارية الليثيوم القائمة على هذا الهيكل تم شدها وثنيها عدة مرات. لا يزال بإمكانه الحفاظ على قدرة دورة جيدة.

تُستخدم البطاريات الرفيعة جدًا بشكل عام في المنتجات الإلكترونية الرقيقة مثل البطاقات الإلكترونية ، وعادة ما تستخدم البطاريات المطبوعة في سيناريوهات الاستخدام الفردي مثل علامات RFID ، وتستخدم البطاريات المرنة ذات السعة الكبيرة بشكل أساسي في المنتجات الإلكترونية الذكية مثل الساعات والهواتف المحمولة التي تتطلب سعة كبيرة. أرقى.

4- المشهد التنافسي للبطاريات المرنة

لا يزال سوق البطاريات المرن ناشئًا ، واللاعبون المشاركون هم بشكل أساسي مصنعي البطاريات التقليديين ، وعمالقة التكنولوجيا ، والشركات الناشئة. ومع ذلك ، لا يوجد حاليًا مصنع مهيمن على مستوى العالم ، والفجوة بين الشركات ليست كبيرة ، وهم في الأساس في مرحلة البحث والتطوير.

من منظور إقليمي ، يتركز البحث والتطوير الحاليان للبطاريات المرنة بشكل أساسي في الولايات المتحدة وكوريا الجنوبية وتايوان ، مثل شركة Imprint Energy في الولايات المتحدة و Hui Neng Taiwan و LG Chem في كوريا الجنوبية ، إلخ. عمالقة التكنولوجيا مثل Apple و Samsung و Panasonic تنشط أيضًا في نشر بطاريات مرنة. حقق البر الرئيسي للصين بعض التطورات في مجال البطاريات الورقية. تمكنت الشركات المدرجة مثل Evergreen و Jiulong Industrial من تحقيق الإنتاج الضخم. ظهرت العديد من الشركات الناشئة أيضًا في اتجاهات فنية أخرى ، مثل Beijing Xujiang Technology Co.، Ltd. ، Soft Electronics Technology ، و Jizhan Technology. في الوقت نفسه ، تعمل مؤسسات البحث العلمي المهمة أيضًا على تطوير اتجاهات تكنولوجية جديدة.

سيحلل ما يلي بإيجاز ويقارن بين المنتجات وديناميكيات الشركة للعديد من المطورين الرئيسيين في مجال البطاريات المرنة:

تايوان Huineng

بطارية ليثيوم سيراميك ذات لوحة ناعمة FLCB

1. تختلف بطارية سيراميك الليثيوم الصلبة عن السائل المنحل بالكهرباء المستخدم في بطارية الليثيوم المتاحة. لن يتسرب حتى لو تم كسره أو اصطدامه أو ثقبه أو حرقه ولن يشتعل أو يحترق أو ينفجر. أداء سلامة جيد
2. رقيقة جدا ، أنحف يمكن أن تصل إلى 0.38 مم
3. كثافة البطارية ليست عالية مثل بطاريات الليثيوم. 33 ملم34mmبطارية ليثيوم سيراميك 0.38 مم بسعة 10.5 مللي أمبير وكثافة طاقة 91 وات / لتر.
4. انها ليست مرنة. يمكن ثنيه فقط ، ولا يمكن شده أو ضغطه أو لفه.

في النصف الثاني من عام 2018 ، قم ببناء أول مصنع فائق في العالم لبطاريات الليثيوم السيراميكية الصلبة.

كوريا الجنوبية LG Chem

بطارية كابل

1. يتمتع بمرونة ممتازة ويمكنه تحمل درجة معينة من التمدد
2. إنه أكثر مرونة ولا يحتاج إلى وضعه داخل المعدات الإلكترونية مثل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. يمكن وضعها في أي مكان ويمكن دمجها جيدًا في تصميم المنتج.
3. بطارية الكابل ذات سعة صغيرة وتكلفة إنتاج عالية
4. لا يوجد إنتاج للطاقة حتى الآن

بصمة الطاقة ، الولايات المتحدة الأمريكية

بطارية بوليمر الزنك

1. أداء سلامة الانحناء الديناميكي جيد للغاية ورقيق
2. يعتبر الزنك أقل سمية من بطاريات الليثيوم وهو خيار أكثر أمانًا للمعدات التي يرتديها الإنسان

تحد الخصائص الرفيعة للغاية من سعة البطارية ، ولا يزال أداء أمان بطارية الزنك بحاجة إلى فحص طويل الأجل للسوق. وقت طويل لتحويل المنتج

تعاون مع Semtech للدخول في مجال إنترنت الأشياء

شركة Jiangsu Enfusai Printing Electronics Co.، Ltd.

بطارية الورق

1. تم إنتاجه بكميات كبيرة واستخدم في علامات RFID والمجالات الطبية وغيرها

يمكن تخصيص 2. الحجم ، السماكة ، والشكل وفقًا لاحتياجات المستخدمين ، ويمكنها ضبط موضع الأقطاب الموجبة والسالبة للبطارية.

1. بطارية الورق مخصصة للاستخدام مرة واحدة ولا يمكن إعادة شحنها
2. الطاقة صغيرة وسيناريوهات الاستخدام محدودة. يمكن تطبيقه فقط على علامات RFID الإلكترونية ، وأجهزة الاستشعار ، والبطاقات الذكية ، والتغليف المبتكر ، وما إلى ذلك.
3. أكمل عملية الاستحواذ المملوكة بالكامل لشركة Enfucell في فنلندا في 2018
4. الحصول على تمويل بقيمة 70 مليون يوان صيني في عام 2018

HOPPT BATTERY

بطارية الطباعة ثلاثية الأبعاد

1. عملية طباعة ثلاثية الأبعاد مماثلة وتقنية تقوية ألياف النانو
2. تتميز بطارية الليثيوم المرنة بخصائص خفيفة ورقيقة ومرنة

5- التطوير المستقبلي للبطاريات المرنة

في الوقت الحالي ، لا يزال أمام البطاريات المرنة طريق طويل لتقطعه في مؤشرات الأداء الكهروكيميائية مثل سعة البطارية وكثافة الطاقة وعمر الدورة. تحتوي البطاريات المطورة في المختبرات الحالية بشكل عام على متطلبات عملية عالية ، وكفاءة إنتاج منخفضة ، وتكلفة عالية ، وهي غير مناسبة للإنتاج الصناعي على نطاق واسع. في المستقبل ، فإن البحث عن مواد إلكترود مرنة وإلكتروليتات صلبة ذات أداء شامل ممتاز وتصميم مبتكر لهيكل البطارية وتطوير عمليات تحضير بطارية ذات حالة صلبة جديدة هي اتجاهات اختراق.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن أكثر نقاط الألم أهمية في صناعة البطاريات الحالية هي عمر البطارية. في المستقبل ، يجب على الشركات المصنعة للبطاريات التي يمكنها تحقيق مركز مفيد أن تحل مشكلة عمر البطارية والإنتاج المرن في نفس الوقت. من المتوقع أن يؤدي تطبيق مصادر الطاقة الجديدة (مثل الطاقة الشمسية والطاقة الحيوية) أو المواد الجديدة (مثل الجرافين) إلى حل هاتين المشكلتين في وقت واحد.

أصبحت البطاريات المرنة الشريان الأورطي للإلكترونيات الاستهلاكية في المستقبل. في المستقبل المنظور ، ستؤدي الاختراقات التكنولوجية في مجال الإلكترونيات المرنة بأكمله الذي تمثله البطاريات المرنة إلى إحداث تغييرات هائلة في الصناعات المنبع والمصب.