紙電池前景廣闊，而技術(shù)和應(yīng)用仍有待突破
http://www.hxud.cn 2013-01-28 09:25 中企顧問(wèn)網(wǎng)
本文導(dǎo)讀：紙電池是以O(shè)EM產(chǎn)品的形式存在，生產(chǎn)廠(chǎng)家是以配套的形式跟其他應(yīng)用型產(chǎn)品結(jié)合在一起，需要各個(gè)應(yīng)用行業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改革，與現(xiàn)有體系相博棄存在較大的難度。
1、紙電池的概念及技術(shù)原理
紙電池一一是利用印刷技術(shù)將電子油墨印刷在聚合物薄膜上而形成的新型清潔微動(dòng)力能源，具有可折疊、超薄、微動(dòng)力等特性。
2、紙電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國(guó)際上推出紙電池產(chǎn)品的公司有以色列PowerPaper公司、芬蘭Enfucell公司，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)榮股份投資的紙電池產(chǎn)業(yè)引進(jìn)的是以色列PowerPaper公司的技術(shù)和產(chǎn)品。從以上兩家公司紙電池產(chǎn)品的類(lèi)屬上來(lái)看，均是鋅錳電池，屬于一次電池，無(wú)法對(duì)電池進(jìn)行充電。PowerPaper公司的技術(shù)最成熟，已經(jīng)推出了集成有紙電池的化妝品貼膜、醫(yī)藥貼膜產(chǎn)品，其客戶(hù)有雅詩(shī)蘭黛。芬蘭Enfucell公司的紙電池技術(shù)目前還處于產(chǎn)品試制階段。
二次電池一一鋰離子紙電池還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，以斯坦福大學(xué)為代表。紙電池的二次電池技術(shù)實(shí)際上是將液態(tài)鋰離子電池在薄層紙張上實(shí)現(xiàn)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)電池進(jìn)行重復(fù)充電使用，將擴(kuò)大紙電池的應(yīng)用場(chǎng)合。一次紙電池可以通過(guò)特殊電子油墨印刷工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但鋰離子紙電池的制作過(guò)程首先要制備雙層的正極(負(fù)極)材料，工藝稍顯復(fù)雜，制作工藝的問(wèn)題延緩了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
3、紙電池技術(shù)的應(yīng)用前景:
紙電池具有超薄、柔性、質(zhì)輕等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于便攜、尺寸小、集成度高的小功率供電場(chǎng)合。
1）有源射頻識(shí)別(RFID)電子標(biāo)簽
射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間藕合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。最簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和天線(xiàn)三部分組成。
按供電方式的不同，RFID標(biāo)簽可以分為有源、無(wú)源和半無(wú)源電子標(biāo)簽。無(wú)源RFID標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)裝電池，通過(guò)標(biāo)簽天線(xiàn)從讀寫(xiě)器天線(xiàn)線(xiàn)圈發(fā)出的能量中感生出工作電壓，其特點(diǎn)是重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)，但工作距離短;有源RFID標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，通過(guò)電池供電，其特點(diǎn)是識(shí)別距離長(zhǎng)，但價(jià)格較高且壽命短。而半無(wú)源RFID標(biāo)簽部分依靠電池工作。
目前，市場(chǎng)是有源RFID標(biāo)簽的供電電源有外接電源和紐扣電池兩種形式。外接電源限制了RFID標(biāo)簽的移動(dòng)范圍，不滿(mǎn)足其可移動(dòng)、便攜的特點(diǎn);紐扣電池的厚度在1mm-7.7mm不等，而對(duì)于卡類(lèi)的有源RFID標(biāo)簽，其厚度一般在0.8mm以下，有源RFID標(biāo)簽卡的供電采用紐扣電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)。紙電池厚度不超過(guò)0.7mm，通常可以做到O.Smm以下，并且具有可柔性彎曲的特性，非常適合集成于有源RFID電子標(biāo)簽(包括半無(wú)源電子標(biāo)簽)。
從全球RFID應(yīng)用規(guī)模來(lái)看，RFID市場(chǎng)一直實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，未來(lái)4年，RFID市場(chǎng)的CAGR為14%，2016年達(dá)到262.3億美元。在RFID細(xì)分市場(chǎng)中，有源電子標(biāo)簽的市場(chǎng)份額將得到提升。有源RFID系統(tǒng)的銷(xiāo)售，未來(lái)4年的CAGR將達(dá)到30%，2016年達(dá)到67.8億美元。相比無(wú)源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽在RFID技術(shù)市場(chǎng)中占據(jù)的份額將會(huì)越來(lái)越大，占總RFID市場(chǎng)份額在2017年將達(dá)到26.3%。
未來(lái)幾年，全球RFID市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)以及有源電子標(biāo)簽的市場(chǎng)份額提升，將為紙電池創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)空間。
2）智能卡
智能卡屬于半導(dǎo)體卡，采用微電子技術(shù)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、處理。按照組成結(jié)構(gòu)，智能卡可以分為非加密存儲(chǔ)卡、加密存儲(chǔ)卡、CPU卡和超級(jí)智能卡。
由于要在卡內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，超級(jí)智能卡還有支持鍵盤(pán)輸入、液晶顯示、發(fā)聲等功能，CPU卡和超級(jí)智能卡需要配置內(nèi)部供電電源。由于智能卡尺寸(厚度小于1mm)的限制以及可彎曲的特性，超薄型的紙電池適合應(yīng)用于該兩類(lèi)卡片的內(nèi)部集成。
3）微型傳感器
隨著半導(dǎo)體信息技術(shù)的發(fā)展，微型化、多功能化、智能化成為傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，大量的無(wú)線(xiàn)MEMS傳感器應(yīng)用于汽車(chē)、國(guó)防軍工、航空航天等領(lǐng)域。MEMS傳感器是一個(gè)高度集成的完整系統(tǒng)，包括了傳感器、存儲(chǔ)單元、運(yùn)算單元、信號(hào)發(fā)送單元等部分，微傳感器系統(tǒng)的工作需要微型電池來(lái)提供電源。對(duì)于無(wú)線(xiàn)MEMS傳感器，所有部件高度集成于微小的空間內(nèi)，傳感器尺寸在幾毫米以下，甚至達(dá)到幾百個(gè)微米的量級(jí)，傳統(tǒng)電池尺寸無(wú)法滿(mǎn)足要求，將紙電池應(yīng)用于微傳感器系統(tǒng)，可以充分利用其超薄、可重復(fù)充電等特性，滿(mǎn)足微傳感器系統(tǒng)高度集成、高可靠性以及較長(zhǎng)使用壽命的要求。
4）醫(yī)療和化妝品貼膜
在化妝品和醫(yī)藥品應(yīng)用方面，如一次性電離子滲透器，利用微電流促進(jìn)有效藥物成份或護(hù)膚成份透過(guò)皮膚表層和毛孔滲入深層肌膚。
紙電池可集成于貼膜類(lèi)化妝品，加強(qiáng)化妝品活性成分的滲透吸收。在微電流驅(qū)動(dòng)下，活性物質(zhì)從陽(yáng)極(正極)到達(dá)角質(zhì)層(皮膚的最外層)，能幫助活性物質(zhì)在電流驅(qū)動(dòng)下到達(dá)皮膚特定區(qū)域，并在該區(qū)域被吸收;應(yīng)用于人體表面無(wú)創(chuàng)主動(dòng)給藥貼膜，利用微電流，可以促進(jìn)藥物通過(guò)諸如皮膚或指甲等的生物隔膜，提升局部藥物配方到達(dá)率。
4、紙電池的應(yīng)用存在的困難
目前，已商業(yè)化的紙電池(PowerPaper和Enfucell公司的產(chǎn)品)都是一次電池，無(wú)法充電重復(fù)使用，電池的使用壽命受到電池容量的限制而不會(huì)太長(zhǎng)。有源RFID標(biāo)簽、智能卡、微型傳感器均是一體化集成度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的產(chǎn)品，在使用壽命周期內(nèi)不方便更換電池，
因此要求供電電池具有長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的能力，當(dāng)前已推出的紙電池的應(yīng)用受到限制。紙電池要大量應(yīng)用于有源RFID標(biāo)簽、智能卡、微型傳感器領(lǐng)域，必須發(fā)展二次電池技術(shù)，使其具備超薄、柔性、可重復(fù)充電使用的綜合特征。
另外，紙電池的市場(chǎng)應(yīng)用還面臨另一種超薄型電池一一固態(tài)薄膜鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)。固態(tài)薄膜鋰電池是利用磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等方法，將鋰離子正極材料、電解質(zhì)、負(fù)極材料以及電流集流層、保護(hù)層等按照合理的順利，逐層沉積到基體材料上封裝而成，固態(tài)薄膜鋰電池本質(zhì)上是鋰電池。由于其電解質(zhì)采用固態(tài)材料(LiPON)或者鋰離子聚合物，加上逐層沉積的特殊制作工藝，固態(tài)薄膜鋰電池不僅可以獲得厚度范圍在0.17mm-0.9mm之間的超薄結(jié)構(gòu)，并可以獲得優(yōu)異的性能。
目前，國(guó)際上推出固態(tài)薄膜鋰電池產(chǎn)品的公司有美國(guó)InfinitePowerSolutions公司、CYMBET公司、EXCELLATRON公司以及SOLICORE公司。紙電池由于其采用印刷工藝制造，成本相對(duì)較低，而采用紙張作為基體，柔性好，應(yīng)用于醫(yī)療和化妝品貼膜等一次性使用的產(chǎn)品具有優(yōu)勢(shì)。薄膜固態(tài)鋰電池一般采用磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等較為復(fù)雜的制造工藝，成本相對(duì)較高，但是，薄膜鋰電池屬于二次電池，可以通過(guò)非接觸式射頻技術(shù)進(jìn)行重復(fù)充電使用，在有源射頻標(biāo)簽、智能卡、微型傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域，薄膜固態(tài)鋰電池比紙電池更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
此外，紙電池是以O(shè)EM產(chǎn)品的形式存在，生產(chǎn)廠(chǎng)家是以配套的形式跟其他應(yīng)用型產(chǎn)品結(jié)合在一起，需要各個(gè)應(yīng)用行業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改革，與現(xiàn)有體系相博棄存在較大的難度。
紙電池一一是利用印刷技術(shù)將電子油墨印刷在聚合物薄膜上而形成的新型清潔微動(dòng)力能源，具有可折疊、超薄、微動(dòng)力等特性。
紙電池技術(shù)原理簡(jiǎn)介
目前，國(guó)際上推出紙電池產(chǎn)品的公司有以色列PowerPaper公司、芬蘭Enfucell公司，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)榮股份投資的紙電池產(chǎn)業(yè)引進(jìn)的是以色列PowerPaper公司的技術(shù)和產(chǎn)品。從以上兩家公司紙電池產(chǎn)品的類(lèi)屬上來(lái)看，均是鋅錳電池，屬于一次電池，無(wú)法對(duì)電池進(jìn)行充電。PowerPaper公司的技術(shù)最成熟，已經(jīng)推出了集成有紙電池的化妝品貼膜、醫(yī)藥貼膜產(chǎn)品，其客戶(hù)有雅詩(shī)蘭黛。芬蘭Enfucell公司的紙電池技術(shù)目前還處于產(chǎn)品試制階段。
二次電池一一鋰離子紙電池還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，以斯坦福大學(xué)為代表。紙電池的二次電池技術(shù)實(shí)際上是將液態(tài)鋰離子電池在薄層紙張上實(shí)現(xiàn)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)電池進(jìn)行重復(fù)充電使用，將擴(kuò)大紙電池的應(yīng)用場(chǎng)合。一次紙電池可以通過(guò)特殊電子油墨印刷工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但鋰離子紙電池的制作過(guò)程首先要制備雙層的正極(負(fù)極)材料，工藝稍顯復(fù)雜，制作工藝的問(wèn)題延緩了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
3、紙電池技術(shù)的應(yīng)用前景:
紙電池具有超薄、柔性、質(zhì)輕等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于便攜、尺寸小、集成度高的小功率供電場(chǎng)合。
1）有源射頻識(shí)別(RFID)電子標(biāo)簽
射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間藕合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。最簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和天線(xiàn)三部分組成。
按供電方式的不同，RFID標(biāo)簽可以分為有源、無(wú)源和半無(wú)源電子標(biāo)簽。無(wú)源RFID標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)裝電池，通過(guò)標(biāo)簽天線(xiàn)從讀寫(xiě)器天線(xiàn)線(xiàn)圈發(fā)出的能量中感生出工作電壓，其特點(diǎn)是重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)，但工作距離短;有源RFID標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，通過(guò)電池供電，其特點(diǎn)是識(shí)別距離長(zhǎng)，但價(jià)格較高且壽命短。而半無(wú)源RFID標(biāo)簽部分依靠電池工作。
有源射頻標(biāo)簽簡(jiǎn)圖
從全球RFID應(yīng)用規(guī)模來(lái)看，RFID市場(chǎng)一直實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，未來(lái)4年，RFID市場(chǎng)的CAGR為14%，2016年達(dá)到262.3億美元。在RFID細(xì)分市場(chǎng)中，有源電子標(biāo)簽的市場(chǎng)份額將得到提升。有源RFID系統(tǒng)的銷(xiāo)售，未來(lái)4年的CAGR將達(dá)到30%，2016年達(dá)到67.8億美元。相比無(wú)源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽在RFID技術(shù)市場(chǎng)中占據(jù)的份額將會(huì)越來(lái)越大，占總RFID市場(chǎng)份額在2017年將達(dá)到26.3%。
未來(lái)幾年，全球RFID市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)以及有源電子標(biāo)簽的市場(chǎng)份額提升，將為紙電池創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)空間。
2）智能卡
智能卡屬于半導(dǎo)體卡，采用微電子技術(shù)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、處理。按照組成結(jié)構(gòu)，智能卡可以分為非加密存儲(chǔ)卡、加密存儲(chǔ)卡、CPU卡和超級(jí)智能卡。
智能卡分類(lèi)及特點(diǎn)
3）微型傳感器
隨著半導(dǎo)體信息技術(shù)的發(fā)展，微型化、多功能化、智能化成為傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，大量的無(wú)線(xiàn)MEMS傳感器應(yīng)用于汽車(chē)、國(guó)防軍工、航空航天等領(lǐng)域。MEMS傳感器是一個(gè)高度集成的完整系統(tǒng)，包括了傳感器、存儲(chǔ)單元、運(yùn)算單元、信號(hào)發(fā)送單元等部分，微傳感器系統(tǒng)的工作需要微型電池來(lái)提供電源。對(duì)于無(wú)線(xiàn)MEMS傳感器，所有部件高度集成于微小的空間內(nèi)，傳感器尺寸在幾毫米以下，甚至達(dá)到幾百個(gè)微米的量級(jí)，傳統(tǒng)電池尺寸無(wú)法滿(mǎn)足要求，將紙電池應(yīng)用于微傳感器系統(tǒng)，可以充分利用其超薄、可重復(fù)充電等特性，滿(mǎn)足微傳感器系統(tǒng)高度集成、高可靠性以及較長(zhǎng)使用壽命的要求。
4）醫(yī)療和化妝品貼膜
在化妝品和醫(yī)藥品應(yīng)用方面，如一次性電離子滲透器，利用微電流促進(jìn)有效藥物成份或護(hù)膚成份透過(guò)皮膚表層和毛孔滲入深層肌膚。
紙電池可集成于貼膜類(lèi)化妝品，加強(qiáng)化妝品活性成分的滲透吸收。在微電流驅(qū)動(dòng)下，活性物質(zhì)從陽(yáng)極(正極)到達(dá)角質(zhì)層(皮膚的最外層)，能幫助活性物質(zhì)在電流驅(qū)動(dòng)下到達(dá)皮膚特定區(qū)域，并在該區(qū)域被吸收;應(yīng)用于人體表面無(wú)創(chuàng)主動(dòng)給藥貼膜，利用微電流，可以促進(jìn)藥物通過(guò)諸如皮膚或指甲等的生物隔膜，提升局部藥物配方到達(dá)率。
紙電池用于微電流貼膜化妝品
目前，已商業(yè)化的紙電池(PowerPaper和Enfucell公司的產(chǎn)品)都是一次電池，無(wú)法充電重復(fù)使用，電池的使用壽命受到電池容量的限制而不會(huì)太長(zhǎng)。有源RFID標(biāo)簽、智能卡、微型傳感器均是一體化集成度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的產(chǎn)品，在使用壽命周期內(nèi)不方便更換電池，
因此要求供電電池具有長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的能力，當(dāng)前已推出的紙電池的應(yīng)用受到限制。紙電池要大量應(yīng)用于有源RFID標(biāo)簽、智能卡、微型傳感器領(lǐng)域，必須發(fā)展二次電池技術(shù)，使其具備超薄、柔性、可重復(fù)充電使用的綜合特征。
另外，紙電池的市場(chǎng)應(yīng)用還面臨另一種超薄型電池一一固態(tài)薄膜鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)。固態(tài)薄膜鋰電池是利用磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等方法，將鋰離子正極材料、電解質(zhì)、負(fù)極材料以及電流集流層、保護(hù)層等按照合理的順利，逐層沉積到基體材料上封裝而成，固態(tài)薄膜鋰電池本質(zhì)上是鋰電池。由于其電解質(zhì)采用固態(tài)材料(LiPON)或者鋰離子聚合物，加上逐層沉積的特殊制作工藝，固態(tài)薄膜鋰電池不僅可以獲得厚度范圍在0.17mm-0.9mm之間的超薄結(jié)構(gòu)，并可以獲得優(yōu)異的性能。
目前，國(guó)際上推出固態(tài)薄膜鋰電池產(chǎn)品的公司有美國(guó)InfinitePowerSolutions公司、CYMBET公司、EXCELLATRON公司以及SOLICORE公司。紙電池由于其采用印刷工藝制造，成本相對(duì)較低，而采用紙張作為基體，柔性好，應(yīng)用于醫(yī)療和化妝品貼膜等一次性使用的產(chǎn)品具有優(yōu)勢(shì)。薄膜固態(tài)鋰電池一般采用磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等較為復(fù)雜的制造工藝，成本相對(duì)較高，但是，薄膜鋰電池屬于二次電池，可以通過(guò)非接觸式射頻技術(shù)進(jìn)行重復(fù)充電使用，在有源射頻標(biāo)簽、智能卡、微型傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域，薄膜固態(tài)鋰電池比紙電池更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
此外，紙電池是以O(shè)EM產(chǎn)品的形式存在，生產(chǎn)廠(chǎng)家是以配套的形式跟其他應(yīng)用型產(chǎn)品結(jié)合在一起，需要各個(gè)應(yīng)用行業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改革，與現(xiàn)有體系相博棄存在較大的難度。
集成有固態(tài)薄膜銼電池的有源RFID卡、智能卡以及微型傳感器
