Joustava akku – kulutuselektroniikan valtimo tulevaisuudessa

Elintason paranemisen ja tekniikan kehittymisen myötä joustava elektroniikka on saanut yhä enemmän huomiota. Joustavan elektroniikkatekniikan kehitys voi muuttaa perusteellisesti tuotemuotoa terveydenhuollon, puettavien, kaiken Internetin ja jopa robotiikassa, ja sillä on valtava markkinapotentiaali.

Elintason paranemisen ja tekniikan kehittymisen myötä joustava elektroniikka on saanut yhä enemmän huomiota. Joustavan elektroniikkatekniikan kehitys voi muuttaa perusteellisesti tuotemuotoa terveydenhuollon, puettavien, kaiken Internetin ja jopa robotiikassa, ja sillä on valtava markkinapotentiaali.

Monet yritykset ovat panostaneet paljon tutkimukseen ja tuotekehitykseen, yksi toisensa jälkeen uuden sukupolven teknologian varhaiseen käyttöönottoon ja uusien tuotteiden kehittämiseen. Viime aikoina taitettavat matkapuhelimet ovat nousseet suosituksi suunnaksi. Taitto on ensimmäinen askel elektroniikkatuotteille siirtyessä perinteisestä jäykkyydestä joustavuuteen.

Samsung Galaxy Fold ja Huawei Mate X ovat tuoneet taitettavat puhelimet yleisön nähtäville ja ovat todella kaupallisia, mutta niiden ratkaisut ovat kaikki saranoituja. Vaikka käytössä on kokonainen pala joustavaa OLED-näyttöä, loput ovat Laitetta ei voi taittaa tai taittaa. Tällä hetkellä joustavien laitteiden, kuten joustavien matkapuhelimien, todellinen rajoittava tekijä ei ole enää itse näyttö vaan joustavan elektroniikan, erityisesti joustavien akkujen innovaatio. Energiansyöttöakku vie usein suurimman osan laitteen tilavuudesta, joten se on myös todennäköisin osa todellisen joustavuuden ja taipuisuuden saavuttamisessa. Lisäksi puettavat laitteet, kuten älykellot ja älyrannekkeet, käyttävät edelleen perinteisiä jäykkiä akkuja, jotka ovat kooltaan rajoitettuja, minkä seurauksena akun käyttöikä usein uhrataan. Siksi suuren kapasiteetin, erittäin joustavat joustavat akut ovat vallankumouksellinen tekijä taitettavissa matkapuhelimissa ja puettavissa laitteissa.

1. Joustavien paristojen määritelmä ja edut

Joustava akku viittaavat yleensä akkuihin, joita voidaan taivuttaa ja käyttää toistuvasti. Niiden ominaisuuksia ovat taivutettava, venyvä, taitettava ja kierrettävä; ne voivat olla litiumioniakkuja, sinkki-mangaaniakkuja tai hopea-sinkkiakkuja tai jopa superkondensaattoria. Koska joustavan akun jokainen osa käy läpi tiettyä muodonmuutosta taitto- ja venytysprosessin aikana, joustavan akun kunkin osan materiaalien ja rakenteen on säilytettävä suorituskyky useiden taittamisen ja venytyksen jälkeen. Luonnollisesti tekniset vaatimukset tällä alalla ovat erittäin korkeat. Korkea. Kun nykyinen jäykkä litiumakku muuttuu, sen suorituskyky heikkenee vakavasti ja saattaa jopa olla turvallisuusriskejä. Siksi joustavat akut vaativat aivan uusia materiaaleja ja rakennesuunnitelmia.

Perinteisiin jäykiin akkuihin verrattuna joustavilla akuilla on parempi sopeutumiskyky ympäristöön, törmäyksenestokyky ja parempi turvallisuus. Lisäksi joustavat akut voivat saada elektroniikkatuotteet kehittymään ergonomisempaan suuntaan. Joustavat akut voivat merkittävästi vähentää älykkäiden laitteiden kustannuksia ja määrää, lisätä uusia ominaisuuksia ja parantaa olemassa olevia ominaisuuksia, jolloin innovatiiviset laitteistot ja fyysinen maailma voivat saavuttaa ennennäkemättömän syvän integraation.

2. Joustavien paristojen markkinakoko

Joustoelektroniikkateollisuutta pidetään elektroniikkateollisuuden seuraavana suurena kehityssuuntana. Sen nopean kehityksen tekijöitä ovat valtava markkinakysyntä ja voimakas kansallinen politiikka. Monet ulkomaat ovat jo laatineet tutkimussuunnitelmia joustavasta elektroniikasta. Kuten Yhdysvaltain FDCASU-suunnitelma, Euroopan unionin Horizon-projekti, Etelä-Korean "Korean vihreän IT:n kansallinen strategia" ja niin edelleen, Kiinan luonnontieteiden säätiön Kiinan 12. ja 13. viisivuotissuunnitelma sisältää myös joustavan elektroniikan tärkeänä tutkimusalueena. mikro-nano valmistus.

Elektronisten piirien, toiminnallisten materiaalien, mikronanovalmistuksen ja muiden teknologia-alojen integroinnin lisäksi joustava elektroniikkatekniikka kattaa myös puolijohteet, pakkaukset, testaukset, tekstiilit, kemikaalit, painetut piirit, näyttöpaneelit ja muut teollisuudenalat. Se ajaa biljoonan dollarin markkinat ja auttaa perinteisiä sektoreita lisäämään teollisuuden lisäarvoa ja tuomaan vallankumouksellisia muutoksia teollisuuden rakenteeseen ja ihmiselämään. Arvovaltaisten organisaatioiden ennusteiden mukaan joustavan elektroniikkateollisuuden arvo on 46.94 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2018 ja 301 miljardia dollaria vuonna 2028, ja sen vuosikasvu on lähes 30 % vuosina 2011–2028, ja se on pitkän aikavälin trendi. nopea kasvu.

Joustava akku - kulutuselektroniikan valtimo tulevaisuudessa 〡 Mizuki Capital alkuperäinen
Kuva 1: Joustava akkuteollisuuden ketju

Joustava akku on tärkeä osa joustavan elektroniikan alaa. Niitä voidaan käyttää taitettavissa matkapuhelimissa, puettavissa laitteissa, kirkkaissa vaatteissa ja muilla alueilla, ja niillä on laaja kysyntä markkinoilla. Markets and Marketsin julkaiseman vuoden 2020 globaalia joustavien akkumarkkinoiden ennustetta koskevan tutkimusraportin mukaan vuoteen 2020 mennessä maailmanlaajuisten joustavien akkujen markkinoiden odotetaan nousevan 617 miljoonaan Yhdysvaltain dollariin. Vuodesta 2015 vuoteen 2020 joustava akku kasvaa 53.68 prosentin vuosikasvulla. Lisääntyä. Tyypillisenä joustavien akkujen loppupään teollisuudenalana puettavien laitteiden teollisuuden odotetaan toimittavan 280 miljoonaa yksikköä vuonna 2021. Perinteisten laitteiden siirtyessä pullonkaulavaiheeseen ja uusien teknologioiden innovatiivisiin sovelluksiin, puettavat laitteet aloittavat uuden nopean kehityksen kauden. Joustoparistoille tulee olemaan suuri kysyntä.

Joustoakkuteollisuudessa on kuitenkin edelleen monia haasteita, ja suurin ongelma ovat tekniset ongelmat. Joustavalla akkuteollisuudella on korkeat markkinoille pääsyn esteet, ja monet asiat, kuten materiaalit, rakenteet ja tuotantoprosessit, on ratkaistava. Tällä hetkellä paljon tutkimustyötä on vielä laboratoriovaiheessa, ja massatuotantoon kykeneviä yrityksiä on hyvin vähän.

3. Joustavien akkujen tekninen suunta

Joustavien tai venyvien akkujen toteuttamisen tekninen suunta on pääasiassa uusien rakenteiden ja joustavien materiaalien suunnittelu. Tarkemmin sanottuna on ensisijaisesti seuraavat kolme luokkaa:

3.1. Ohutkalvoakku

Ohutkalvoakkujen perusperiaate on käyttää ultraohut materiaalien käsittelyä kussakin akkukerroksessa helpottamaan taivutusta ja toiseksi parantaa syklin suorituskykyä muokkaamalla materiaalia tai elektrolyyttiä. Ohutkalvoparistot edustavat pääasiassa Taiwan Huinengin litiumakkuja ja Imprint Energyn sinkkipolymeeriakkuja Yhdysvalloissa. Tämän tyyppisen akun etuna on, että se voi saavuttaa tietyn taivutusasteen ja on erittäin ohut (<1 mm); Haittapuolena on, että IT ei voi venyttää sitä, käyttöikä heikkenee nopeasti sorvauksen jälkeen, kapasiteetti on pieni (milliampeerituntitaso) ja hinta korkea.

3.2.Painettu akku (paperiakku)

Kuten ohutkalvoparistot, paperiakut ovat akkuja, jotka käyttävät ohutkalvoa kantajana. Erona on se, että kalvolle pinnoitetaan johtavista materiaaleista ja hiilinanomateriaaleista valmistettua erikoismustetta valmistusprosessin aikana. Ohutkalvopainettujen paperiparistojen ominaisuudet ovat pehmeitä, kevyitä ja ohuita. Vaikka niiden teho on pienempi kuin ohutkalvoparistot, ne ovat ympäristöystävällisempiä – yleensä kertakäyttöisiä akkuja.

Paperiakut kuuluvat painettuun elektroniikkaan, ja niiden kaikki komponentit tai osat valmistetaan painotuotantomenetelmin. Samaan aikaan painetut elektroniikkatuotteet ovat kaksiulotteisia ja niillä on joustavia ominaisuuksia.

3.3. Uuden rakenteen akku (suurikapasiteettinen joustava akku)

Ohutkalvoparistot ja painetut akut ovat tilavuudeltaan rajoitettuja, ja niillä voidaan saavuttaa vain vähän virtaa kuluttavia tuotteita. Ja useammilla sovellusskenaarioilla on enemmän kysyntää valtavalle teholle. Tämä tekee ohuista kalvoista joustavista 3D-akuista kuumat markkinat. Esimerkiksi nykyinen suosittu suurikapasiteettinen joustava, venyvä akku, joka on toteutettu saarisiltarakenteella. Tämän akun periaate on akun sarja-rinnakkaisrakenne. Vaikeus piilee korkeassa johtavuudessa ja luotettavassa linkissä akkujen, jotka voivat venyä ja taipua, ja ulkoisen Protect-paketin suunnittelun välillä. Tämän tyyppisen akun etuna on, että se voi venyttää, taipua ja vääntyä. Käännettäessä vain liittimen taivuttaminen ei vaikuta itse akun käyttöikään. Sillä on suuri kapasiteetti (ampeerituntitaso) ja alhaiset kustannukset; Haittapuolena on, että paikallinen pehmeys ei ole yhtä hyvä kuin erittäin ohuella akulla. Ole pieni. Mukana on myös origamirakenne, joka taittaa 2D-ulotteisen paperin erilaisiin muotoihin 3D-tilassa taittamalla ja taivuttamalla. Tätä origami-tekniikkaa sovelletaan litiumioniakkuihin, ja virrankerääjä, positiivinen elektrodi, negatiivinen elektrodi jne. on taitettu eri taittokulmien mukaan. Venytettynä ja taivutettuna akku kestää suuren paineen taittovaikutuksen vuoksi ja sillä on hyvä joustavuus. Ei vaikuta suorituskykyyn. Lisäksi ne ottavat usein käyttöön aallonmuotoisen rakenteen, toisin sanoen aallonmuotoisen venyvän rakenteen. Aktiivinen materiaali levitetään aallonmuotoiseen metallinapakappaleeseen venyvän elektrodin valmistamiseksi. Tähän rakenteeseen perustuva litiumakku on venytetty ja taivutettu monta kertaa. Se voi silti säilyttää hyvän syklikapasiteetin.

Ultraohuita akkuja käytetään yleensä ohuissa elektronisissa tuotteissa, kuten elektronisissa korteissa, painettuja paristoja käytetään tyypillisesti kertakäyttöskenaarioissa, kuten RFID-tunnisteissa, ja suurikapasiteettisia joustavia paristoja käytetään pääasiassa älykkäissä elektroniikkatuotteissa, kuten kelloissa ja matkapuhelimissa. jotka vaativat suurta kapasiteettia. Ensiluokkainen.

4. Joustavien akkujen kilpailuympäristö

Joustavat akkumarkkinat ovat vielä syntymässä, ja mukana ovat pääosin perinteisiä akkuvalmistajia, teknologiajättejä ja start-up-yrityksiä. Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole globaalisti hallitsevaa valmistajaa, eikä ero yritysten välillä ole suuri, ja ne ovat periaatteessa T&K-vaiheessa.

Alueellisesta näkökulmasta joustavien akkujen nykyinen tutkimus- ja kehitystyö keskittyy pääasiassa Yhdysvaltoihin, Etelä-Koreaan ja Taiwaniin, kuten Imprint Energy Yhdysvaltoihin, Hui Neng Taiwan, LG Chem Etelä-Koreaan jne. Teknologiajätit kuten Apple, Samsung ja Panasonic ottavat myös aktiivisesti käyttöön joustavia akkuja. Manner-Kiina on tehnyt tiettyä kehitystä paperiakkujen alalla. Pörssiyhtiöt, kuten Evergreen ja Jiulong Industrial, ovat onnistuneet saavuttamaan massatuotannon. Useita start-uppeja on syntynyt myös muilla teknisillä suunnilla, kuten Beijing Xujiang Technology Co., Ltd., Soft Electronics Technology ja Jizhan Technology. Samaan aikaan merkittävät tieteelliset tutkimuslaitokset kehittävät myös uusia teknologisia suuntauksia.

Seuraavassa analysoidaan ja verrataan lyhyesti useiden suurten joustavien akkujen kehittäjien tuotteita ja yritysdynamiikkaa:

Taiwan Huineng

FLCB pehmeä litiumkeraaminen akku

1. Solid-state-keraaminen litiumakku eroaa saatavilla olevassa litiumakussa käytetystä nestemäisestä elektrolyytistä. Se ei vuoda, vaikka se rikkoutuisi, osuisi, puhkaisisi tai palaisi, eikä syty tuleen, pala tai räjähtää. Hyvä turvallisuussuorituskyky
2. Erittäin ohut, ohuin voi olla 0.38 mm
3. Akun tiheys ei ole yhtä korkea kuin litiumakkujen. 33mm34mm0.38 mm:n keraaminen litiumakku, jonka kapasiteetti on 10.5 mAh ja energiatiheys 91 Wh/l.
4. Se ei ole joustava; sitä voidaan vain taivuttaa, eikä sitä voi venyttää, puristaa tai vääntää.

Rakenna vuoden 2018 toisella puoliskolla maailman ensimmäinen keraamisten litiumakkujen supertehdas.

Etelä-Korea LG Chem

Kaapelin akku

1. Sillä on erinomainen joustavuus ja se kestää tiettyä venytystä
2. Se on joustavampi, eikä sitä tarvitse sijoittaa elektronisten laitteiden, kuten perinteisten litiumioniakkujen, sisään. Se voidaan sijoittaa mihin tahansa ja se voidaan integroida hyvin tuotesuunnitteluun.
3. Kaapeliakulla on pieni kapasiteetti ja korkeat tuotantokustannukset
4. Ei vielä energiantuotantoa

Imprint Energy, USA

Sinkkipolymeeriakku

1. Erittäin ohut, hyvä dynaaminen taivutusturvallisuus
2. Sinkki on vähemmän myrkyllistä kuin litiumakut, ja se on turvallisempi valinta ihmisillä käytettäviin laitteisiin

Ultraohuet ominaisuudet rajoittavat akun kapasiteettia, ja sinkkiakun turvallisuussuorituskyky vaatii vielä pitkän aikavälin markkinatarkastusta. Pitkä tuotteen muunnosaika

Liity Semtechin kanssa astuaksesi esineiden internetin alalle

Jiangsu Enfusai Printing Electronics Co., Ltd.

Paperinen akku

1. On valmistettu massatuotantona ja käytetty RFID-tunnisteissa, lääketieteessä ja muilla aloilla

Se voi mukauttaa 2. Koko, paksuus ja muoto ovat käyttäjien tarpeiden mukaan, ja se voi säätää akun positiivisten ja negatiivisten elektrodien asentoa.

1. Paperiakku on kertakäyttöinen, eikä sitä voi ladata uudelleen
2. Teho on pieni, ja käyttöskenaariot ovat rajalliset. Sitä voidaan soveltaa vain elektronisiin RFID-tunnisteisiin, antureisiin, älykortteihin, innovatiivisiin pakkauksiin jne.
3. Saata päätökseen Enfucellin kokonaan omistama yrityskauppa Suomessa vuonna 2018
4. Sai 70 miljoonaa RMB rahoitusta vuonna 2018

HOPPT BATTERY

3D-tulostuksen akku

1. Samanlainen 3D-tulostusprosessi ja nanokuituvahvistustekniikka
2. Joustava litiumakku on kevyt, ohut ja joustava

5. Joustavien paristojen tuleva kehitys

Tällä hetkellä joustavilla akuilla on vielä pitkä matka sähkökemiallisten suorituskyvyn indikaattoreiden, kuten akun kapasiteetin, energiatiheyden ja käyttöiän, suhteen. Olemassa olevissa laboratorioissa kehitetyillä akuilla on yleensä korkeat prosessivaatimukset, alhainen tuotantotehokkuus ja korkeat kustannukset, jotka eivät sovellu laajamittaiseen teolliseen tuotantoon. Tulevaisuudessa läpimurtosuuntaa ovat joustavien elektrodimateriaalien ja kiinteiden elektrolyyttien etsiminen, joilla on erinomainen kokonaisvaltainen suorituskyky, innovatiivinen akkurakenteen suunnittelu ja uusien puolijohdeakkujen valmistusprosessien kehittäminen.

Lisäksi nykyisen akkuteollisuuden merkittävin tuskakohta on akun kesto. Tulevaisuudessa edulliseen asemaan pääsevien akkuvalmistajien on ratkaistava akun käyttöiän ja joustavan tuotannon ongelma samanaikaisesti. Uusien energialähteiden (kuten aurinkoenergian ja bioenergian) tai uusien materiaalien (kuten grafeenin) käytön odotetaan ratkaisevan nämä kaksi ongelmaa samanaikaisesti.

Joustoparistoista on tulossa kulutuselektroniikan aortta tulevaisuudessa. Teknologiset läpimurrot koko joustavan elektroniikan alalla, jota joustavat paristot edustavat, tuo lähitulevaisuudessa väistämättä valtavia muutoksia alku- ja loppupään teollisuudessa.