סוללה גמישה - העורק של מוצרי אלקטרוניקה בעתיד

עם שיפור רמת החיים והתפתחות הטכנולוגיה, האלקטרוניקה הגמישה זכתה ליותר ויותר תשומת לב. ההתקדמות של טכנולוגיה אלקטרונית גמישה יכולה לשנות באופן עמוק את צורת המוצר בתחום הבריאות, הלביש, האינטרנט של הכל ואפילו רובוטיקה, ויש לה פוטנציאל שוק עצום.

עם שיפור רמת החיים והתפתחות הטכנולוגיה, האלקטרוניקה הגמישה זכתה ליותר ויותר תשומת לב. ההתקדמות של טכנולוגיה אלקטרונית גמישה יכולה לשנות באופן עמוק את צורת המוצר בתחום הבריאות, הלביש, האינטרנט של הכל ואפילו רובוטיקה, ויש לה פוטנציאל שוק עצום.

חברות רבות השקיעו הרבה מחקר ופיתוח, בזו אחר זו פריסה מוקדמת של טכנולוגיות הדור הבא ופיתוח מוצרים חדשים. לאחרונה, טלפונים ניידים מתקפלים הפכו לכיוון מועדף. קיפול הוא הצעד הראשון עבור מוצרים אלקטרוניים לעבור מקשיחות מסורתית לגמישות.

Samsung Galaxy Fold ו-Huawei Mate X הביאו טלפונים מתקפלים לעיני הציבור והם באמת מסחריים, אבל הפתרונות שלהם כולם תלויים בחצי. למרות שמשתמשים בחתיכה שלמה של תצוגת OLED גמישה, השאר הוא לא ניתן לקפל או לכופף את המכשיר. נכון לעכשיו, הגורם המגביל האמיתי עבור מכשירים גמישים כמו טלפונים ניידים גמישים הוא כבר לא המסך עצמו אלא החדשנות של אלקטרוניקה גמישה, במיוחד סוללות גמישות. סוללת אספקת האנרגיה תופסת לרוב את רוב נפח המכשיר, כך שהיא גם החלק החיוני ביותר בהשגת גמישות וכיפוף אמיתיים. בנוסף, מכשירים לבישים כמו שעונים חכמים וצמידים חכמים עדיין משתמשים בסוללות קשיחות מסורתיות, המוגבלות בגודלן, וכתוצאה מכך לעיתים קרובות מוקרבות חיי הסוללה. לכן, סוללות גמישות בעלות קיבולת גדולה וגמישות גבוהה הן גורם מהפכני בטלפונים ניידים מתקפלים ובמכשירים לבישים.

1. הגדרה ויתרונות של סוללות גמישות

סוללה גמישה מתייחסים בדרך כלל לסוללות שניתן לכופף ולהשתמש בהן שוב ושוב. המאפיינים שלהם כוללים כיפוף, מתיחה, מתקפל ופיתול; הן יכולות להיות סוללות ליתיום-יון, סוללות אבץ-מנגן או סוללות אבץ-כסף, או אפילו קבל-על. מאחר וכל חלק מהסוללה הגמישה עובר דפורמציה מסוימת בתהליך הקיפול והמתיחה, החומרים והמבנה של כל חלק מהסוללה הגמישה חייבים לשמור על ביצועים לאחר מספר פעמים של קיפול ומתיחה. מטבע הדברים, הדרישות הטכניות בתחום זה גבוהות מאוד. גָבוֹהַ. לאחר שסוללת הליתיום הקשיחה הנוכחית תעבור דפורמציה, הביצועים שלה ייפגעו קשות, וייתכנו אפילו סכנות בטיחותיות. לכן, סוללות גמישות דורשות חומרים ועיצובים מבניים חדשים לגמרי.

בהשוואה לסוללות קשיחות מסורתיות, לסוללות גמישות יש יכולת הסתגלות סביבתית גבוהה יותר, ביצועים נגד התנגשות ובטיחות טובה יותר. יתר על כן, סוללות גמישות יכולות לגרום למוצרים אלקטרוניים להתפתח בכיוון ארגונומי יותר. סוללות גמישות יכולות להפחית משמעותית את העלות והנפח של חומרה חכמה, להוסיף יכולות חדשות ולשפר יכולות קיימות, מה שמאפשר לחומרה חדשנית ולעולם הפיזי להשיג אינטגרציה עמוקה חסרת תקדים.

2. גודל השוק של סוללות גמישות

תעשיית האלקטרוניקה הגמישה נחשבת למגמת הפיתוח העיקרית הבאה של תעשיית האלקטרוניקה. הגורמים המניעים להתפתחותו המהירה הם הביקוש העצום בשוק והמדיניות הלאומית הנמרצת. מדינות זרות רבות כבר גיבשו תוכניות מחקר לאלקטרוניקה גמישה. כמו תוכנית FDCASU של ארה"ב, פרויקט Horizon של האיחוד האירופי, "האסטרטגיה הלאומית של קוריאה הירוק IT" של דרום קוריאה, וכן הלאה, קרן מדעי הטבע של סין של תוכנית החומש ה-12 וה-13 של סין כוללת גם אלקטרוניקה גמישה כתחום מחקר חשוב של ייצור מיקרו-ננו.

בנוסף לשילוב מעגלים אלקטרוניים, חומרים פונקציונליים, ייצור מיקרו-ננו ותחומי טכנולוגיה אחרים, טכנולוגיה אלקטרונית גמישה משתרעת גם על מוליכים למחצה, אריזה, בדיקות, טקסטיל, כימיקלים, מעגלים מודפסים, לוחות תצוגה ותעשיות אחרות. היא תניע שוק של טריליון דולר ותסייע למגזרים המסורתיים בהגברת הערך המוסף של התעשיות ובהבאת שינויים מהפכניים במבנה התעשייתי ובחיי האדם. על פי תחזיות של ארגונים סמכותיים, תעשיית האלקטרוניקה הגמישה תהיה שווה 46.94 מיליארד דולר ב-2018 ו-301 מיליארד דולר ב-2028, עם קצב צמיחה שנתי מורכב של כמעט 30% מ-2011 עד 2028, ונמצאת במגמה של טווח ארוך. גידול מהיר.

סוללה גמישה - העורק של מוצרי אלקטרוניקה בעתיד 〡 Mizuki Capital מקורי
איור 1: שרשרת תעשיית סוללות גמישה

סוללה גמישה היא חלק חיוני מתחום האלקטרוניקה הגמישה. הם יכולים לשמש בטלפונים ניידים מתקפלים, מכשירים לבישים, בגדים בהירים ובתחומים אחרים ויש להם ביקוש רחב בשוק. על פי דוח מחקר על תחזית שוק הסוללות הגמישות הגלובלי לשנת 2020 שהונפקו על ידי Markets and Markets, עד 2020, שוק הסוללות הגמישות העולמי צפוי להגיע ל-617 מיליון דולר אמריקאי. מ-2015 עד 2020, הסוללה הגמישה תגדל בקצב צמיחה שנתי מורכב של 53.68%. להגביר. כתעשייה טיפוסית במורד הזרם של סוללות גמישות, תעשיית המכשירים הלבישים צפויה לשלוח 280 מיליון יחידות בשנת 2021. כאשר החומרה המסורתית נכנסת לתקופת צוואר בקבוק ויישומים חדשניים של טכנולוגיות חדשות, מכשירים לבישים פותחים תקופה חדשה של התפתחות מהירה. יהיה ביקוש רחב לסוללות גמישות.

עם זאת, תעשיית הסוללות הגמישות עדיין מתמודדת עם אתגרים רבים, והבעיה הגדולה ביותר היא בעיות טכניות. לתעשיית הסוללות הגמישות יש חסמי כניסה גבוהים, ויש לפתור בעיות רבות כמו חומרים, מבנים ותהליכי ייצור. כיום, עבודת מחקר רבה נמצאת עדיין בשלב המעבדה, ויש מעט מאוד חברות שיכולות לבצע ייצור המוני.

3. כיוון טכני של סוללות גמישות

הכיוון הטכני למימוש סוללות גמישות או מתיחה הוא בעיקר תכנון של מבנים חדשים וחומרים גמישים. באופן ספציפי, ישנן בעיקר את שלוש הקטגוריות הבאות:

3.1.סוללת סרט דק

העיקרון הבסיסי של סוללות סרט דק הוא להשתמש בטיפול דק במיוחד של החומרים בכל שכבת סוללה כדי להקל על כיפוף, ושנית, לשפר את ביצועי המחזור על ידי שינוי החומר או האלקטרוליט. סוללות סרט דק מייצגות בעיקר סוללות ליתיום קרמיקה מטייוואן Huineng וסוללות פולימר אבץ מבית Imprint Energy בארצות הברית. היתרון של סוללה מסוג זה הוא בכך שהיא יכולה להשיג מידה מסוימת של כיפוף והיא דקה במיוחד (<1 מ"מ); החיסרון הוא שה-IT לא יכול למתוח אותו, החיים דועכים במהירות לאחר הסיבוב, הקיבולת קטנה (רמת מיליאמפר-שעה), והעלות גבוהה.

3.2. סוללה מודפסת (סוללת נייר)

כמו סוללות סרט דק, סוללות נייר הן סוללות המשתמשות בסרט דק כמנשא. ההבדל הוא שדיו מיוחד העשוי מחומרים מוליכים וננו-חומרי פחמן מצופה על הסרט במהלך תהליך ההכנה. המאפיינים של סוללות נייר מודפסות בסרט דק הן רכות, קלות ודקות. למרות שיש להן הספק נמוך יותר מאשר סוללות סרט דק, הן ידידותיות יותר לסביבה - בדרך כלל סוללה חד פעמית.

סוללות נייר שייכות לאלקטרוניקה מודפסת, וכל הרכיבים או החלקים שלהן מושלמים בשיטות ייצור הדפסה. יחד עם זאת, מוצרים אלקטרוניים מודפסים הם דו מימדיים ובעלי מאפיינים גמישים.

3.3. סוללת עיצוב מבנה חדש (סוללה גמישה בקיבולת גדולה)

סוללות סרט דק וסוללות מודפסות מוגבלות בנפח ויכולות להשיג רק מוצרים בעלי הספק נמוך. ולתרחישי יישומים נוספים יש יותר דרישה לכוח עצום. זה הופך סוללות גמישות בתלת מימד ללא סרט דק לשוק חם. לדוגמה, הסוללה הפופולרית הנוכחית בעלת קיבולת גדולה, גמישה וניתנת למתיחה שנוצרה על ידי מבנה גשר האי. העיקרון של סוללה זו הוא המבנה המקביל לסדרה של ערכת הסוללות. הקושי טמון במוליכות הגבוהה ובקישור המהימן בין הסוללות, שיכולות להימתח ולהתכופף, לבין עיצוב החבילה החיצוני של Protect. היתרון של סוללה מסוג זה הוא בכך שהיא יכולה למתוח, להתכופף ולהתפתל. בעת סיבוב, רק כיפוף המחבר אינו משפיע על חיי הסוללה עצמה. יש לו קיבולת גדולה (רמת אמפר-שעה) ועלות נמוכה; החיסרון הוא שהרכות המקומית אינה טובה כמו סוללה דקה במיוחד. תהיה קטן. יש גם מבנה אוריגמי, שמקפל נייר דו מימדי לצורות שונות בחלל תלת מימד על ידי קיפול וכיפוף. טכנולוגיית אוריגמי זו מיושמת על סוללות ליתיום-יון, וקולט הזרם, האלקטרודה החיובית, האלקטרודה השלילית וכו', מקופלים לפי זוויות קיפול שונות. כשהסוללה נמתחת וכפופה, הסוללה יכולה לעמוד בלחץ רב בגלל אפקט הקיפול ובעלת גמישות טובה. לא ישפיע על הביצועים. בנוסף, לרוב הם מאמצים מבנה בצורת גל, כלומר מבנה מתמתח בצורת גל. החומר הפעיל מוחל על עמוד המתכת בצורת גל כדי ליצור אלקטרודה ניתנת למתיחה. סוללת הליתיום המבוססת על מבנה זה נמתחה וכופפה פעמים רבות. זה עדיין יכול לשמור על קיבולת מחזור טובה.

סוללות דקות במיוחד משמשות בדרך כלל במוצרים אלקטרוניים דקים כגון כרטיסים אלקטרוניים, סוללות מודפסות משמשות בדרך כלל בתרחישים חד פעמיים כגון תגי RFID, וסוללות גמישות בעלות קיבולת גדולה משמשות בעיקר במוצרים אלקטרוניים חכמים כגון שעונים וטלפונים ניידים שדורשים קיבולת גדולה. עליון.

4. הנוף התחרותי של סוללות גמישות

שוק הסוללות הגמישות עדיין מתעורר, והשחקנים המשתתפים הם בעיקר יצרני סוללות מסורתיים, ענקיות טכנולוגיה וחברות סטארט-אפ. עם זאת, אין כיום יצרן דומיננטי בעולם, והפער בין החברות אינו גדול, והן בעצם בשלב המו"פ.

מנקודת מבט אזורית, המחקר והפיתוח הנוכחי של סוללות גמישות מתרכזים בעיקר בארה"ב, דרום קוריאה וטייוואן, כמו Imprint Energy בארה"ב, Hui Neng Taiwan, LG Chem בדרום קוריאה ועוד ענקיות טכנולוגיה כמו אפל, סמסונג ופנסוניק גם פורסות באופן פעיל סוללות גמישות. סין עשתה התפתחויות מסוימות בתחום סוללות הנייר. חברות רשומות כמו Evergreen ו-Jiulong Industrial הצליחו להשיג ייצור המוני. כמה סטארט-אפים הופיעו גם בכיוונים טכניים אחרים, כמו Beijing Xujiang Technology Co., Ltd., Soft Electronics Technology ו-Jizhan Technology. במקביל, מוסדות מחקר מדעיים משמעותיים מפתחים גם כיוונים טכנולוגיים חדשים.

להלן ינתחו וישווה בקצרה את המוצרים והדינמיקה של החברה של מספר מפתחים גדולים בתחום הסוללות הגמישות:

טייוואן הויננג

FLCB פלטה רכה סוללת ליתיום קרמיקה

1. סוללת הליתיום הקרמית במצב מוצק שונה מהאלקטרוליט הנוזלי המשמש בסוללת הליתיום הזמינה. הוא לא ידלוף גם אם הוא נשבר, פגע, מנוקב או נשרף ולא יתלקח, יישרף או יתפוצץ. ביצועי בטיחות טובים
2. דק במיוחד, הדק ביותר יכול להגיע ל-0.38 מ"מ
3. צפיפות הסוללה אינה גבוהה כמו זו של סוללות ליתיום. ה-33 מ"מ34mmסוללת ליתיום קרמית 0.38 מ"מ בעלת קיבולת של 10.5mAh וצפיפות אנרגיה של 91Wh/L.
4. זה לא גמיש; אפשר רק לכופף אותו, ולא ניתן למתוח אותו, לדחוס אותו או לעקם אותו.

במחצית השנייה של 2018, בנו את מפעל העל הראשון בעולם של סוללות ליתיום קרמיקה במצב מוצק.

דרום קוריאה LG Chem

סוללת כבל

1. יש לו גמישות מצוינת והוא יכול לעמוד בדרגה מסוימת של מתיחה
2. זה גמיש יותר ואין צורך למקם אותו בתוך ציוד אלקטרוני כמו סוללות ליתיום-יון מסורתיות. ניתן למקם אותו בכל מקום וניתן לשלב אותו היטב בעיצוב המוצר.
3. סוללת כבל בעלת קיבולת קטנה ועלות ייצור גבוהה
4. עדיין אין ייצור אנרגיה

Imprint Energy, ארה"ב

סוללת אבץ פולימר

1. ביצועי בטיחות כיפוף דינאמיים דקים במיוחד
2. אבץ פחות רעיל מסוללות ליתיום והוא בחירה בטוחה יותר לציוד הנלבש על בני אדם

המאפיינים הדקים במיוחד מגבילים את קיבולת הסוללה, וביצועי הבטיחות של סוללת האבץ עדיין זקוקים לבדיקת שוק ארוכת טווח. זמן המרת מוצר ארוך

שלב ידיים עם Semtech כדי להיכנס לתחום האינטרנט של הדברים

Jiangsu Enfusai Printing Electronics Co., Ltd.

סוללת נייר

1. יוצר בייצור המוני והיה בשימוש בתגי RFID, תחומים רפואיים ואחרים

זה יכול להתאים אישית 2. הגודל, העובי והצורה הם בהתאם לצרכי המשתמש, והוא יכול להתאים את מיקום האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה.

1. סוללת הנייר מיועדת לשימוש חד פעמי ולא ניתנת לטעינה מחדש
2. ההספק קטן, ותרחישי השימוש מוגבלים. זה יכול לחול רק על תגים אלקטרוניים RFID, חיישנים, כרטיסים חכמים, אריזה חדשנית וכו '.
3. השלימו את הרכישה בבעלות מלאה של Enfucell בפינלנד ב-2018
4. קיבל 70 מיליון יואן במימון בשנת 2018

HOPPT BATTERY

סוללת הדפסת תלת מימד

1. תהליך הדפסה תלת מימד דומה וטכנולוגיית חיזוק ננו-סיבי
2. לסוללת ליתיום גמישה יש מאפיינים של קלה, דקה וגמישה

5. הפיתוח העתידי של סוללות גמישות

נכון לעכשיו, לסוללות גמישות יש עוד דרך ארוכה לעבור במדדי ביצועים אלקטרוכימיים כמו קיבולת סוללה, צפיפות אנרגיה וחיי מחזור. לסוללות שפותחו במעבדות הקיימות יש בדרך כלל דרישות תהליך גבוהות, יעילות ייצור נמוכה ועלות גבוהה, שאינן מתאימות לייצור תעשייתי בקנה מידה גדול. בעתיד, חיפוש אחר חומרי אלקטרודה גמישים ואלקטרוליטים מוצקים עם ביצועים מקיפים מצוינים, עיצוב חדשני של מבנה הסוללה ופיתוח תהליכי הכנת מצב מוצק חדשים הם כיווני דרך פורצי דרך.

בנוסף, נקודת הכאב המשמעותית ביותר של תעשיית הסוללות הנוכחית היא חיי הסוללה. בעתיד, יצרני סוללות שיכולים להגיע לעמדה מועילה חייבים לפתור את בעיית חיי הסוללה והייצור הגמיש בו זמנית. היישום של מקורות אנרגיה חדשים (כגון אנרגיה סולארית וביו-אנרגיה) או חומרים חדשים (כגון גרפן) צפוי לפתור את שתי הבעיות הללו בו-זמנית.

סוללות גמישות הופכות בעתיד לאבי העורקים של מוצרי אלקטרוניקה. בעתיד הנראה לעין, פריצות דרך טכנולוגיות בכל תחום האלקטרוניקה הגמישה המיוצגת על ידי סוללות גמישות יביאו בהכרח לשינויים אדירים בתעשיות במעלה הזרם ובהמשך.