紙電池前景廣闊，而技術和應用仍有待突破
http://www.cnkawayi.cn 2013-01-28 09:25 中企顧問網
本文導讀：紙電池是以OEM產品的形式存在，生產廠家是以配套的形式跟其他應用型產品結合在一起，需要各個應用行業進行相應的技術改革，與現有體系相博棄存在較大的難度。
1、紙電池的概念及技術原理
紙電池一一是利用印刷技術將電子油墨印刷在聚合物薄膜上而形成的新型清潔微動力能源，具有可折疊、超薄、微動力等特性。
2、紙電池技術發展現狀
目前，國際上推出紙電池產品的公司有以色列PowerPaper公司、芬蘭Enfucell公司，國內的長榮股份投資的紙電池產業引進的是以色列PowerPaper公司的技術和產品。從以上兩家公司紙電池產品的類屬上來看，均是鋅錳電池，屬于一次電池，無法對電池進行充電。PowerPaper公司的技術最成熟，已經推出了集成有紙電池的化妝品貼膜、醫藥貼膜產品，其客戶有雅詩蘭黛。芬蘭Enfucell公司的紙電池技術目前還處于產品試制階段。
二次電池一一鋰離子紙電池還處于實驗室研發階段，以斯坦福大學為代表。紙電池的二次電池技術實際上是將液態鋰離子電池在薄層紙張上實現，其最大的優勢在于可對電池進行重復充電使用，將擴大紙電池的應用場合。一次紙電池可以通過特殊電子油墨印刷工藝來實現，但鋰離子紙電池的制作過程首先要制備雙層的正極(負極)材料，工藝稍顯復雜，制作工藝的問題延緩了產業化應用進程。
3、紙電池技術的應用前景:
紙電池具有超薄、柔性、質輕等特點，特別適合應用于便攜、尺寸小、集成度高的小功率供電場合。
1）有源射頻識別(RFID)電子標簽
射頻識別(RFID)技術是一項利用射頻信號通過空間藕合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。最簡單的RFID系統由電子標簽、讀寫器和天線三部分組成。
按供電方式的不同，RFID標簽可以分為有源、無源和半無源電子標簽。無源RFID標簽沒有內裝電池，通過標簽天線從讀寫器天線線圈發出的能量中感生出工作電壓，其特點是重量輕、體積小、壽命長，但工作距離短;有源RFID標簽內裝有電池，通過電池供電，其特點是識別距離長，但價格較高且壽命短。而半無源RFID標簽部分依靠電池工作。
目前，市場是有源RFID標簽的供電電源有外接電源和紐扣電池兩種形式。外接電源限制了RFID標簽的移動范圍，不滿足其可移動、便攜的特點;紐扣電池的厚度在1mm-7.7mm不等，而對于卡類的有源RFID標簽，其厚度一般在0.8mm以下，有源RFID標簽卡的供電采用紐扣電池無法實現。紙電池厚度不超過0.7mm，通常可以做到O.Smm以下，并且具有可柔性彎曲的特性，非常適合集成于有源RFID電子標簽(包括半無源電子標簽)。
從全球RFID應用規模來看，RFID市場一直實現快速增長。據估計，未來4年，RFID市場的CAGR為14%，2016年達到262.3億美元。在RFID細分市場中，有源電子標簽的市場份額將得到提升。有源RFID系統的銷售，未來4年的CAGR將達到30%，2016年達到67.8億美元。相比無源標簽，有源標簽在RFID技術市場中占據的份額將會越來越大，占總RFID市場份額在2017年將達到26.3%。
未來幾年，全球RFID市場的快速增長以及有源電子標簽的市場份額提升，將為紙電池創造巨大的市場空間。
2）智能卡
智能卡屬于半導體卡，采用微電子技術進行信息的存儲、處理。按照組成結構，智能卡可以分為非加密存儲卡、加密存儲卡、CPU卡和超級智能卡。
由于要在卡內部進行數據運算，超級智能卡還有支持鍵盤輸入、液晶顯示、發聲等功能，CPU卡和超級智能卡需要配置內部供電電源。由于智能卡尺寸(厚度小于1mm)的限制以及可彎曲的特性，超薄型的紙電池適合應用于該兩類卡片的內部集成。
3）微型傳感器
隨著半導體信息技術的發展，微型化、多功能化、智能化成為傳感器的發展趨勢，大量的無線MEMS傳感器應用于汽車、國防軍工、航空航天等領域。MEMS傳感器是一個高度集成的完整系統，包括了傳感器、存儲單元、運算單元、信號發送單元等部分，微傳感器系統的工作需要微型電池來提供電源。對于無線MEMS傳感器，所有部件高度集成于微小的空間內，傳感器尺寸在幾毫米以下，甚至達到幾百個微米的量級，傳統電池尺寸無法滿足要求，將紙電池應用于微傳感器系統，可以充分利用其超薄、可重復充電等特性，滿足微傳感器系統高度集成、高可靠性以及較長使用壽命的要求。
4）醫療和化妝品貼膜
在化妝品和醫藥品應用方面，如一次性電離子滲透器，利用微電流促進有效藥物成份或護膚成份透過皮膚表層和毛孔滲入深層肌膚。
紙電池可集成于貼膜類化妝品，加強化妝品活性成分的滲透吸收。在微電流驅動下，活性物質從陽極(正極)到達角質層(皮膚的最外層)，能幫助活性物質在電流驅動下到達皮膚特定區域，并在該區域被吸收;應用于人體表面無創主動給藥貼膜，利用微電流，可以促進藥物通過諸如皮膚或指甲等的生物隔膜，提升局部藥物配方到達率。
4、紙電池的應用存在的困難
目前，已商業化的紙電池(PowerPaper和Enfucell公司的產品)都是一次電池，無法充電重復使用，電池的使用壽命受到電池容量的限制而不會太長。有源RFID標簽、智能卡、微型傳感器均是一體化集成度高、長期穩定工作的產品，在使用壽命周期內不方便更換電池，
因此要求供電電池具有長期穩定供電的能力，當前已推出的紙電池的應用受到限制。紙電池要大量應用于有源RFID標簽、智能卡、微型傳感器領域，必須發展二次電池技術，使其具備超薄、柔性、可重復充電使用的綜合特征。
另外，紙電池的市場應用還面臨另一種超薄型電池一一固態薄膜鋰電池的競爭。固態薄膜鋰電池是利用磁控濺射、化學氣相沉積等方法，將鋰離子正極材料、電解質、負極材料以及電流集流層、保護層等按照合理的順利，逐層沉積到基體材料上封裝而成，固態薄膜鋰電池本質上是鋰電池。由于其電解質采用固態材料(LiPON)或者鋰離子聚合物，加上逐層沉積的特殊制作工藝，固態薄膜鋰電池不僅可以獲得厚度范圍在0.17mm-0.9mm之間的超薄結構，并可以獲得優異的性能。
目前，國際上推出固態薄膜鋰電池產品的公司有美國InfinitePowerSolutions公司、CYMBET公司、EXCELLATRON公司以及SOLICORE公司。紙電池由于其采用印刷工藝制造，成本相對較低，而采用紙張作為基體，柔性好，應用于醫療和化妝品貼膜等一次性使用的產品具有優勢。薄膜固態鋰電池一般采用磁控濺射、化學氣相沉積等較為復雜的制造工藝，成本相對較高，但是，薄膜鋰電池屬于二次電池，可以通過非接觸式射頻技術進行重復充電使用，在有源射頻標簽、智能卡、微型傳感器等應用領域，薄膜固態鋰電池比紙電池更具有應用優勢。
此外，紙電池是以OEM產品的形式存在，生產廠家是以配套的形式跟其他應用型產品結合在一起，需要各個應用行業進行相應的技術改革，與現有體系相博棄存在較大的難度。
紙電池一一是利用印刷技術將電子油墨印刷在聚合物薄膜上而形成的新型清潔微動力能源，具有可折疊、超薄、微動力等特性。
紙電池技術原理簡介
目前，國際上推出紙電池產品的公司有以色列PowerPaper公司、芬蘭Enfucell公司，國內的長榮股份投資的紙電池產業引進的是以色列PowerPaper公司的技術和產品。從以上兩家公司紙電池產品的類屬上來看，均是鋅錳電池，屬于一次電池，無法對電池進行充電。PowerPaper公司的技術最成熟，已經推出了集成有紙電池的化妝品貼膜、醫藥貼膜產品，其客戶有雅詩蘭黛。芬蘭Enfucell公司的紙電池技術目前還處于產品試制階段。
二次電池一一鋰離子紙電池還處于實驗室研發階段，以斯坦福大學為代表。紙電池的二次電池技術實際上是將液態鋰離子電池在薄層紙張上實現，其最大的優勢在于可對電池進行重復充電使用，將擴大紙電池的應用場合。一次紙電池可以通過特殊電子油墨印刷工藝來實現，但鋰離子紙電池的制作過程首先要制備雙層的正極(負極)材料，工藝稍顯復雜，制作工藝的問題延緩了產業化應用進程。
3、紙電池技術的應用前景:
紙電池具有超薄、柔性、質輕等特點，特別適合應用于便攜、尺寸小、集成度高的小功率供電場合。
1）有源射頻識別(RFID)電子標簽
射頻識別(RFID)技術是一項利用射頻信號通過空間藕合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。最簡單的RFID系統由電子標簽、讀寫器和天線三部分組成。
按供電方式的不同，RFID標簽可以分為有源、無源和半無源電子標簽。無源RFID標簽沒有內裝電池，通過標簽天線從讀寫器天線線圈發出的能量中感生出工作電壓，其特點是重量輕、體積小、壽命長，但工作距離短;有源RFID標簽內裝有電池，通過電池供電，其特點是識別距離長，但價格較高且壽命短。而半無源RFID標簽部分依靠電池工作。
有源射頻標簽簡圖
從全球RFID應用規模來看，RFID市場一直實現快速增長。據估計，未來4年，RFID市場的CAGR為14%，2016年達到262.3億美元。在RFID細分市場中，有源電子標簽的市場份額將得到提升。有源RFID系統的銷售，未來4年的CAGR將達到30%，2016年達到67.8億美元。相比無源標簽，有源標簽在RFID技術市場中占據的份額將會越來越大，占總RFID市場份額在2017年將達到26.3%。
未來幾年，全球RFID市場的快速增長以及有源電子標簽的市場份額提升，將為紙電池創造巨大的市場空間。
2）智能卡
智能卡屬于半導體卡，采用微電子技術進行信息的存儲、處理。按照組成結構，智能卡可以分為非加密存儲卡、加密存儲卡、CPU卡和超級智能卡。
智能卡分類及特點
3）微型傳感器
隨著半導體信息技術的發展，微型化、多功能化、智能化成為傳感器的發展趨勢，大量的無線MEMS傳感器應用于汽車、國防軍工、航空航天等領域。MEMS傳感器是一個高度集成的完整系統，包括了傳感器、存儲單元、運算單元、信號發送單元等部分，微傳感器系統的工作需要微型電池來提供電源。對于無線MEMS傳感器，所有部件高度集成于微小的空間內，傳感器尺寸在幾毫米以下，甚至達到幾百個微米的量級，傳統電池尺寸無法滿足要求，將紙電池應用于微傳感器系統，可以充分利用其超薄、可重復充電等特性，滿足微傳感器系統高度集成、高可靠性以及較長使用壽命的要求。
4）醫療和化妝品貼膜
在化妝品和醫藥品應用方面，如一次性電離子滲透器，利用微電流促進有效藥物成份或護膚成份透過皮膚表層和毛孔滲入深層肌膚。
紙電池可集成于貼膜類化妝品，加強化妝品活性成分的滲透吸收。在微電流驅動下，活性物質從陽極(正極)到達角質層(皮膚的最外層)，能幫助活性物質在電流驅動下到達皮膚特定區域，并在該區域被吸收;應用于人體表面無創主動給藥貼膜，利用微電流，可以促進藥物通過諸如皮膚或指甲等的生物隔膜，提升局部藥物配方到達率。
紙電池用于微電流貼膜化妝品
目前，已商業化的紙電池(PowerPaper和Enfucell公司的產品)都是一次電池，無法充電重復使用，電池的使用壽命受到電池容量的限制而不會太長。有源RFID標簽、智能卡、微型傳感器均是一體化集成度高、長期穩定工作的產品，在使用壽命周期內不方便更換電池，
因此要求供電電池具有長期穩定供電的能力，當前已推出的紙電池的應用受到限制。紙電池要大量應用于有源RFID標簽、智能卡、微型傳感器領域，必須發展二次電池技術，使其具備超薄、柔性、可重復充電使用的綜合特征。
另外，紙電池的市場應用還面臨另一種超薄型電池一一固態薄膜鋰電池的競爭。固態薄膜鋰電池是利用磁控濺射、化學氣相沉積等方法，將鋰離子正極材料、電解質、負極材料以及電流集流層、保護層等按照合理的順利，逐層沉積到基體材料上封裝而成，固態薄膜鋰電池本質上是鋰電池。由于其電解質采用固態材料(LiPON)或者鋰離子聚合物，加上逐層沉積的特殊制作工藝，固態薄膜鋰電池不僅可以獲得厚度范圍在0.17mm-0.9mm之間的超薄結構，并可以獲得優異的性能。
目前，國際上推出固態薄膜鋰電池產品的公司有美國InfinitePowerSolutions公司、CYMBET公司、EXCELLATRON公司以及SOLICORE公司。紙電池由于其采用印刷工藝制造，成本相對較低，而采用紙張作為基體，柔性好，應用于醫療和化妝品貼膜等一次性使用的產品具有優勢。薄膜固態鋰電池一般采用磁控濺射、化學氣相沉積等較為復雜的制造工藝，成本相對較高，但是，薄膜鋰電池屬于二次電池，可以通過非接觸式射頻技術進行重復充電使用，在有源射頻標簽、智能卡、微型傳感器等應用領域，薄膜固態鋰電池比紙電池更具有應用優勢。
此外，紙電池是以OEM產品的形式存在，生產廠家是以配套的形式跟其他應用型產品結合在一起，需要各個應用行業進行相應的技術改革，與現有體系相博棄存在較大的難度。
集成有固態薄膜銼電池的有源RFID卡、智能卡以及微型傳感器
