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香港城市大学:屏幕滤波器中与透光和光致发光的微电池组的结合

导读: 锂离子电池目前主要应用到汽车、手机和手表等,电子器件中。如何获得微米,甚至纳米级别的电池是非常有意义的。如果,能够将微纳米电池和屏幕组装在一起,将会大大减少器件的尺寸。

【引言】

锂离子电池目前主要应用到汽车、手机和手表等,电子器件中。如何获得微米,甚至纳米级别的电池是非常有意义的。如果,能够将微纳米电池和屏幕组装在一起,将会大大减少器件的尺寸。目前面临的问题有:(1)维纳电池的制备;(2)电池的透光性;(3)电池的发光性能;(4)电池的寿命等问题。本文的研究促进了维纳电池组与屏幕的结合发展进度,制备了具有良好透光性和抗雾能力的光致发光微电池。

【成果简介】

近日,中国香港城市大学支春义和Andrey L. Rogach(通讯作者)等人,获得一种具有良好透光性和抗雾能力的光致发光微电池。组装采用水性ZnMnOx/聚吡咯基微电池具有交叉状电极的扁平结构,嵌入胶体CdTe量子点的光致发光明胶基电解质和硼砂作为添加剂引入电解液中,这样可以有效地防止了量子点的发光猝灭,同时提高了微电池的电化学性能。其器件的能量密度可达到21 mWh cm-3。另外,组装三基色(红-绿-蓝,RGB)光致发光微电池阵列,能够实现电池彩色滤光片的功能,为电池在屏幕的能源得到应用。相关成果以“Light-Permeable, Photoluminescent Microbatteries Embedded in The Color Filter of a Screen”为题发表在Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图 1 微电池组的组装和显微结构

香港城市大学Energ. Environ. Sci.:屏幕滤波器中与透光和光致发光的微电池组的结合

(a)微电池组组装的示意图;

(b)微电池的透光性和雾化效应;

(c)以红色LED作为背光的数码照片,有良好的透光性和抗雾能力;

(d)光透过微电池和渗透过平的涂覆PET的ITO后,光强度标准化;

(e)交叉微电极谱的SEM图像;

(f)锌负极电沉积的SEM图像;

(g)MnOx/PPy正极电沉积的SEM图像;

(h)Mn 2p的XPS光谱;

(i)N 1s的XPS光谱。

图 2 添加光致发光的凝胶CdTe量子点的电解液的显微结构图

香港城市大学Energ. Environ. Sci.:屏幕滤波器中与透光和光致发光的微电池组的结合

(a)未添加硼砂的PL稳定性能图;

(b)添加硼砂的PL稳定性能图;

(c)添加和未添加硼砂电解液的循环性能对比图;

(d)紫外光下,电解液释放出不同颜色的光学照片;

(e)添加和未添加硼砂电解液中锌离子迁移数量的对比图;

(f)添加和未添加硼砂电解液的拉曼光谱;

(g)添加和未添加硼砂电解液的的德拜曲线。

图 3 μZMB的电化学性能图

香港城市大学Energ. Environ. Sci.:屏幕滤波器中与透光和光致发光的微电池组的结合

(a)在0.5 mVs-1下,μZMB的CV曲线图;

(b)在0.2,0.3,0.4 mA·cm-2下,μZMB的恒流充放电曲线图;

(c)在0.2 mA·cm-2下,μZMB的倍率图及其首次充放电曲线图;

(d)μZMB的循环性能图;

(e)本文和文献中,电池的体能量密度对比图;

(f)数字钟的微电池动力性能的光学图片。

图 4μZMB的PL性能图

香港城市大学Energ. Environ. Sci.:屏幕滤波器中与透光和光致发光的微电池组的结合

(a)在蓝光、绿光和红光照射下,μZMB的光学图像;

(b)在蓝光、绿光和红光照射下,μZMB的PL光谱图;

(c)μZMB的红光PL光谱;

(d)μZMB的绿光PL光谱;(c-d中,i为充电态;ii为放电态)

(e)充放电50圈后,μZMB的PL光谱。(e中,i为红光;ii为绿光)

图 5 屏幕中,色彩滤波器中微电池组的示意图及其性能图

香港城市大学Energ. Environ. Sci.:屏幕滤波器中与透光和光致发光的微电池组的结合

(a)色彩滤波器中微电池阵列的设计理论示意图;

(b)μZMB的光学图像;

(c)紫光照射下的μZMB图;

(d)RGB像素显示全色示意图;

(e)在0.3,0.5和0.8 mA下,μZMB阵列的恒流放电曲线。

【小结】

本文将微电池阵列与彩色滤光片结合,提出了一种实现电池屏幕配置的最终策略,这是传统LCD屏幕的两个重要组成部分。本文使用电极和透明电解质的交叉结构,开发了水溶性Zn-MnOx/聚吡咯微电池的半透明微电池(μZMB)。水溶性,绿光和红光的CdTe量子点,能够结合蓝光的明胶基水溶性电解质。采用硼砂抑制Zn2+离子产生的量子点发光淬灭现象,增加电解液中的离子导电性。本文获得了能量密度高达21 mWh cm-3的光致发光μZMB。μZMB阵列组装可作为彩色滤光片中三种主要的RGB颜色发射,可用于全彩显示的电源。在传统电子设备中最耗电的两个部件,本文采用电池和屏幕可以混合在一起的策略,为开发极致紧凑型电子设备铺平道路。

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