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

【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

（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

（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

（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

（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

（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。