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AndreyL．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21mWhcm－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，PhotoluminescentMicrobatteriesEmbeddedinTheColorFilterofaScreen”为题发表在Energy＆EnvironmentalScience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）Mn2p的XPS光谱；

（i）N1s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3μZMB的电化学性能图

（a）在0．5mVs－1下，μZMB的CV曲线图；

（b）在0．2，0．3，0．4mA·cm－2下，μZMB的恒流充放电曲线图；

（c）在0．2mA·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0．8mA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21mWhcm－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。