微型化與自供電電子系統的快速發展與高度集成化，迫切需要開發電化學微型儲能器件，主要包括微型電池和微型超級電容器。其中，平面化微型電池和微型超級電容器因能直接在單一基底上與微電子器件集成，可成為獨立的或補充的微電源，引起了廣泛關注。

近日，中科院大連化物所研究員吳忠帥與中國科學院院士包信和在微型儲能器件方面的研究工作受到了國際同行的關注，應邀在《先進材料》上發表題為《面向平面化微型電池和微型超級電容器的道路：從二維到三維的器件構型》的進展報告。

包信和在接受《中國科學報》采訪時指出，微型儲能器件在基本原理取得突破的基礎上，一定要找到適合的應用場景，他們后續將針對特定的應用展開研究。

技術水平有待提高

微型化、柔性化電子器件的快速發展，極大刺激了人們對與之匹配的微型儲能器件的需求。吳忠帥告訴記者，微型儲能器件主要包括微型電池和微型超級電容器，在微型機電系統、微型機器人、植入式醫療器件、射頻識別標簽、遠程環境傳感器、便攜式和可穿戴電子產品，以及無線自供電微/納米系統等方面提供可持續工作的動力源，實現電子器件對于柔性化、多功能化、集成化、微型化的需求。

此次他們的進展報告首先重點介紹了平面化微型電池和微型超級電容器的發展歷程和最新進展，包括從基本原理到設計原則，從堆疊型到平面內構型（叉指型）的幾何構型，以及從二維到三維的器件構型；其次，探討了關鍵電極材料、電解質、器件構型、微電極制備技術，以及電極/電解質/集流體等界面對微型儲能器件電化學性能的影響；最后提出了高比能與多功能化平面微型電池和微型超級電容器的技術挑戰、可行性解決方案和未來的發展方向。

吳忠帥團隊長期致力于二維材料及其微型儲能器件的研究。據介紹，該團隊已經取得了一系列重要的研究進展：提出了電化學剝離摻雜、超分子分級自組裝、二維納米單元軟模板等新方法，制備出石墨烯和摻雜石墨烯、超分子噻吩、黑磷烯、MXene、介孔氧化物/聚合物等多種二維納米能源材料。

另外，該團隊還開發了紫外光還原、掩模版輔助過濾的高效制備微電極的新技術，建立了高比能、柔性化、高安全微型儲能器件的構建原則，研制出多種不同平面構型的微型儲能器件，如離子液體凝膠基微型超級電容器、任意形狀微型超級電容器、鋰離子微型電容器、鋰離子微型電池、鋅離子微型電池。同時，還提出了微電極、導電連接體和柔性集流體一體化構筑新策略，以及研制出高集成度化微型超級電容器模塊，輸出工作電壓超過100伏。

不過，吳忠帥表示，當前，堆疊型的鋰離子微型電池已經在植入型醫藥器件方面有部分應用，但是叉指型微型電池、其他類型的微型電池以及微型超級電容器的研究還處于實驗室探索階段，離大規模應用仍有比較長的路要走。

“目前，國內微型超級電容器的研究處于比較領先的位置，包括電極材料和電極制備技術，但是微型電池的研究仍落后于國外。”吳忠帥坦言。

吳忠帥指出，雖然微型薄膜電容器和電池具有廣泛的應用，但市場缺口很大，國內企業生產技術水平仍有待提高，只有加大技術創新力度，提高產品質量，才能擴展國內市場，進軍國際市場。而對于微型儲能器件的規模化應用，目前仍需要解決大規模、低成本的簡便制備技術，輕質的封裝技術，器件的成本以及儲能和產能系統之間匹配等問題。

自供能集成系統是主要方向

“為了滿足各種微電子器件和微系統的運行要求，微型儲能器件最大的挑戰或難點在于能量密度和功率密度的提升，同時還需要解決長續航的問題，以及多功能化器件的開發，例如，柔性化、集成化和智能化。”吳忠帥稱，為了實現上述目標，需要從電極材料、電極制備、電解液選擇、器件構型和界面接觸五個方面總體考慮。

吳忠帥表示，微型儲能器件的電化學性能主要由活性電極材料決定。具有納米孔結構、高導電性、體積膨脹系數小的電極材料是實現離子與電子快速傳輸、長續航壽命的關鍵，其可以在實現高能量密度的同時，保持高的功率密度。另外，還要加強大規模、快速、低成本電極制備技術的開發力度。

此外，他還提出要重視高離子電導率、高安全和高電壓電解液的研制，尤其是水系高鹽電解液和全固態電解質的研發；二維和三維器件構型和結構的優化，設計具有更短離子傳輸路徑、更大的比表面積、擁有豐富孔道的電極構型，實現在給定面積的最大比容量和能量密度；兼容界面的設計，包括電極與集流體之間、電極與電解質之間的界面，構建良好的電子離子導電通路。

吳忠帥強調，隨著物聯網、5G智能化設備的興起，微型儲能器件未來一個主要的研究方向是獨立的自供能集成系統。該系統需要有效耦合產能（太陽能電池、納米發電機）、儲能（微型儲能器件）和用能（微型傳感器）的集成。此外，利用固態電解質構建全固態微型儲能器件，有助于自供能集成系統的實現，將會不斷促進民用柔性化、微型化電子器件的智能化和未來特種裝備的高度集成化。

根據應用場景展開研究

采訪中，包信和強調，微型儲能器件下一步的發展要瞄準特定的應用場景，注重系統集成和優化。他指出，不同的應用對電池的特性要求是不一樣的，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隨之發生變化。但不管怎樣，提高微型儲能器件“續航能力”都是非常關鍵的。

“這個方面不外乎兩個主要的研究方向，一是從材料和工藝入手，提高器件的儲電容量，二是從物理和控制入手，改善充電性能，例如，如果考慮植入式的應用場景，就可以考慮非接觸式的充電方式。”包信和指出。

吳忠帥也表示，他們將針對不同的應用場景，發展特定的應用場景的能量型或功率型微型儲能器件，并采取新的策略和器件，繼續提高微型儲能器件的續航能力，發展高容量器件和非接觸的充電方式。

另外，微型儲能器件在可穿戴電子產品、微型自驅動探測器等領域都有重要的應用前景，這也對微型儲能器件制備技術提出了更高的要求。對此，蘇州大學能源學院教授晏成林撰文指出，自卷曲技術在管狀結構電極的制備和原位電化學研究上所表現出來的優越性，特別是在制備微型能源存儲器件上的應用價值，也值得關注和深入研究。

晏成林表示，自卷曲技術是利用材料內部存在的殘余應力而實現二維薄膜材料自行彎曲的一種方法。相比于傳統微納制備工藝，這種方法可以在微米尺度下將二維薄膜電極材料有序卷曲排列，為微型儲能器件的制備提供了有效、便捷的途徑。

原標題:微型儲能器件“錨定”應用場景