可穿戴电子器件的快速增长，推动了对于具有多种外形和架构的低成本柔性版印刷电池的研究。该领域在过去一直强调技术成果，忽视了行业和市场的需求。然而，不同的应用需要不同的电池化学成分和形式，将极大地影响制造过程和竞争格局。因此，为了最大程度地提高商业成功机率，应仔细选择这些化学物质和形式。由于其中一些技术开始被推广用于便携式电子产品，因此迫切需要对不同的印刷技术进行评估，并根据特定电子器件的处理限制和产品要求对这些技术进行比较。通过评估印刷电池技术的内在优势和当前局限性，以优先考虑开发路径，并克服潜在瓶颈，从而加速印刷电池进入市场的进程。

澳大利亚昆士兰大学Lianzhou Wang、Miaoqiang Lyu研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年6期刊发表了题目为《印刷薄膜电池的最新进展》的综述性文章，指出印刷电池的这些内在的技术优势已被普遍接受，但它们在实践中的表现尚未得到严格证明。尽管已有研究对印刷电池领域进行了报道，但这些研究主要集中在具有氧化还原特性的油墨开发以及使用不同印刷方法证明其可印刷性方面。相对而言，针对目标应用技术要求的研究相对较少。该文章在评估印刷电池相对于同类技术的潜在优势之前，定义了关键技术要求。然后，文章还回顾了迄今为止所报道的印刷电池的主要技术成就：①前所未有的外形自由度；②柔性；③在亚毫米厚度下增加能量密度；④印刷电池的制造具有成本效益；⑤单片可集成性。最后，文章对该领域进行分析，并对未来的发展提供了若干建议。

文章指出，印刷电池正在成为应对下一代小型便携式电子器件、可穿戴设备和物联网（IoT）设备所面临挑战的理想选择。近年来，印刷电池引起了研究界的极大兴趣，并多次被研究人员报道。具有刚性外壳的传统电池不能很好地满足新一代柔性设备的力学要求。它们的外形尺寸有限，不能被单片集成到电子器件中。相比之下，印刷电池在美学功能性、柔性和单片集成方面表现出一定的潜力。几个世纪以来，人们开发了多种印刷技术，将油墨浆图案化到各种基材材料上，包括有机（如聚合物）和无机（如金属）材料。使用类似的印刷方法，可以将电活性和导电材料分层到柔性基板上，以生产具有图案的柔性电池。许多可以容纳印刷电池的应用都具有可印刷的功能，如能量收集、显示器和传感器。电池可以与电子器件的其他组件一起印刷，以生产所谓的单片集成设备。如果所有组件都可以通过卷对卷（R2R）技术在同一条装配线上印刷，那么生产量就会增加。因此，印刷电池通常与具有成本效益的制造相关联。也有报道称，亚毫米厚度的能量密度优于锂聚合物电池或陶瓷电池等竞争技术。

文章表明，印刷集成设备面临的许多挑战。随着在结构材料和工艺要求方面必须兼容的组件数量的增加，物理集成的复杂性呈指数增长。为了最大程度地提高可加工性，集成器件应以最少的步骤/层数制造。每个额外的步骤都会增加流程失败的风险，以及降低该风险所涉及的成本。如果所有组件都在同一条装配线上进行现场制造，则生产集成设备有助于简化物流。

此外，文章还揭示了印刷电池面临的一个更大的挑战可能涉及展示更大范围的电化学性能。迄今为止商业化的所有印刷电池都是不可充电的锌-锰电池。对于其他多价离子化学，锌-锰反应是具有挑战性的可逆循环。部分文章报道了基于可充电化学物质（包括镍金属氢化物和锂离子）的印刷电池，但尚未有任何商业产品推出。对于这两种化学物质，关键挑战是可印刷电解质的开发。镍金属氢化物电解液具有腐蚀性，可能与印刷中使用的其他材料产生兼容性问题。使用镍金属氢化物化学物质面临的另一个巨大挑战是需要泄压阀，这在使用可分解成气态氢和氧的水性电解质的镍金属氢化物电池的设计中很常见，极有可能存在爆炸风险。对于R2R兼容性，此阀门应该是可印刷的。锂离子化学物质对水分污染高度敏感，因此必须在干燥的环境中处理电解质。

以上内容来自：Benoit Clement, Miaoqiang Lyu, Eeshan Sandeep Kulkarni, Tongen Lin, Yuxiang Hu, Vera Lockett, Chris Greig, Lianzhou Wang. Recent Advances in Printed Thin-Film Batteries [J]. Engineering, 2022, 13 (6): 238-261.

原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2022.04.002

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