香港城市大學Energ. Environ. Sci.：屏幕濾波器中與透光和光致發光的微電池組的結合

【引言】

鋰離子電池目前主要應用到汽車、手機和手表等，電子器件中。如何獲得微米，甚至納米級別的電池是非常有意義的。如果，能夠將微納米電池和屏幕組裝在一起，將會大大減少器件的尺寸。目前面臨的問題有：（1）維納電池的制備；（2）電池的透光性；（3）電池的發光性能；（4）電池的壽命等問題。本文的研究促進了維納電池組與屏幕的結合發展進度，制備了具有良好透光性和抗霧能力的光致發光微電池。

【成果簡介】

近日，中國香港城市大學支春義和Andrey L. Rogach（通訊作者）等人，獲得一種具有良好透光性和抗霧能力的光致發光微電池。組裝采用水性ZnMnO_x/聚吡咯基微電池具有交叉狀電極的扁平結構，嵌入膠體CdTe量子點的光致發光明膠基電解質和硼砂作為添加劑引入電解液中，這樣可以有效地防止了量子點的發光猝滅，同時提高了微電池的電化學性能。其器件的能量密度可達到21 mWh cm^-3。另外，組裝三基色（紅-綠-藍，RGB）光致發光微電池陣列，能夠實現電池彩色濾光片的功能，為電池在屏幕的能源得到應用。相關成果以“Light-Permeable, Photoluminescent Microbatteries Embedded in The Color Filter of a Screen”為題發表在Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖 1 微電池組的組裝和顯微結構

（a）微電池組組裝的示意圖；

（b）微電池的透光性和霧化效應；

（c）以紅色LED作為背光的數碼照片，有良好的透光性和抗霧能力；

（d）光透過微電池和滲透過平的涂覆PET的ITO后，光強度標準化；

（e）交叉微電極譜的SEM圖像；

（f）鋅負極電沉積的SEM圖像；

（g）MnO_x/PPy正極電沉積的SEM圖像；

（h）Mn 2p的XPS光譜；

（i）N 1s的XPS光譜。

圖 2 添加光致發光的凝膠CdTe量子點的電解液的顯微結構圖

（a）未添加硼砂的PL穩定性能圖；

（b）添加硼砂的PL穩定性能圖；

（c）添加和未添加硼砂電解液的循環性能對比圖；

（d）紫外光下，電解液釋放出不同顏色的光學照片；

（e）添加和未添加硼砂電解液中鋅離子遷移數量的對比圖；

（f）添加和未添加硼砂電解液的拉曼光譜；

（g）添加和未添加硼砂電解液的的德拜曲線。

圖 3 μZMB的電化學性能圖

（a）在0.5 mVs^-1下，μZMB的CV曲線圖；

（b）在0.2，0.3，0.4 mA·cm^-2下，μZMB的恒流充放電曲線圖；

（c）在0.2 mA·cm^-2下，μZMB的倍率圖及其首次充放電曲線圖；

（d）μZMB的循環性能圖；

（e）本文和文獻中，電池的體能量密度對比圖；

（f）數字鐘的微電池動力性能的光學圖片。

圖 4μZMB的PL性能圖

（a）在藍光、綠光和紅光照射下，μZMB的光學圖像；

（b）在藍光、綠光和紅光照射下，μZMB的PL光譜圖；

（c）μZMB的紅光PL光譜；

（d）μZMB的綠光PL光譜；（c-d中，i為充電態；ii為放電態）

（e）充放電50圈后，μZMB的PL光譜。（e中，i為紅光；ii為綠光）

圖 5 屏幕中，色彩濾波器中微電池組的示意圖及其性能圖

（a）色彩濾波器中微電池陣列的設計理論示意圖；

（b）μZMB的光學圖像；

（c）紫光照射下的μZMB圖；

（d）RGB像素顯示全色示意圖；

（e）在0.3，0.5和0.8 mA下，μZMB陣列的恒流放電曲線。

【小結】

本文將微電池陣列與彩色濾光片結合，提出了一種實現電池屏幕配置的最終策略，這是傳統LCD屏幕的兩個重要組成部分。本文使用電極和透明電解質的交叉結構，開發了水溶性Zn-MnO_x/聚吡咯微電池的半透明微電池（μZMB）。水溶性，綠光和紅光的CdTe量子點，能夠結合藍光的明膠基水溶性電解質。采用硼砂抑制Zn²⁺離子產生的量子點發光淬滅現象，增加電解液中的離子導電性。本文獲得了能量密度高達21 mWh cm^-3的光致發光μZMB。μZMB陣列組裝可作為彩色濾光片中三種主要的RGB顏色發射，可用于全彩顯示的電源。在傳統電子設備中最耗電的兩個部件，本文采用電池和屏幕可以混合在一起的策略，為開發極致緊湊型電子設備鋪平道路。

文獻鏈接：Light-Permeable, Photoluminescent Microbatteries Embedded in The Color Filter of a Screen（Energy & Environmental Science, 2018, DOI: 10.1039/C8EE00590G）。

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