纸电池前景广阔，而技术和应用仍有待突破
http://www.cction.com 2013-01-28 09:25 中企顾问网
本文导读：纸电池是以OEM产品的形式存在，生产厂家是以配套的形式跟其他应用型产品结合在一起，需要各个应用行业进行相应的技术改革，与现有体系相博弃存在较大的难度。
1、纸电池的概念及技术原理
纸电池一一是利用印刷技术将电子油墨印刷在聚合物薄膜上而形成的新型清洁微动力能源，具有可折叠、超薄、微动力等特性。
2、纸电池技术发展现状
目前，国际上推出纸电池产品的公司有以色列PowerPaper公司、芬兰Enfucell公司，国内的长荣股份投资的纸电池产业引进的是以色列PowerPaper公司的技术和产品。从以上两家公司纸电池产品的类属上来看，均是锌锰电池，属于一次电池，无法对电池进行充电。PowerPaper公司的技术最成熟，已经推出了集成有纸电池的化妆品贴膜、医药贴膜产品，其客户有雅诗兰黛。芬兰Enfucell公司的纸电池技术目前还处于产品试制阶段。
二次电池一一锂离子纸电池还处于实验室研发阶段，以斯坦福大学为代表。纸电池的二次电池技术实际上是将液态锂离子电池在薄层纸张上实现，其最大的优势在于可对电池进行重复充电使用，将扩大纸电池的应用场合。一次纸电池可以通过特殊电子油墨印刷工艺来实现，但锂离子纸电池的制作过程首先要制备双层的正极(负极)材料，工艺稍显复杂，制作工艺的问题延缓了产业化应用进程。
3、纸电池技术的应用前景:
纸电池具有超薄、柔性、质轻等特点，特别适合应用于便携、尺寸小、集成度高的小功率供电场合。
1）有源射频识别(RFID)电子标签
射频识别(RFID)技术是一项利用射频信号通过空间藕合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。最简单的RFID系统由电子标签、读写器和天线三部分组成。
按供电方式的不同，RFID标签可以分为有源、无源和半无源电子标签。无源RFID标签没有内装电池，通过标签天线从读写器天线线圈发出的能量中感生出工作电压，其特点是重量轻、体积小、寿命长，但工作距离短;有源RFID标签内装有电池，通过电池供电，其特点是识别距离长，但价格较高且寿命短。而半无源RFID标签部分依靠电池工作。
目前，市场是有源RFID标签的供电电源有外接电源和纽扣电池两种形式。外接电源限制了RFID标签的移动范围，不满足其可移动、便携的特点;纽扣电池的厚度在1mm-7.7mm不等，而对于卡类的有源RFID标签，其厚度一般在0.8mm以下，有源RFID标签卡的供电采用纽扣电池无法实现。纸电池厚度不超过0.7mm，通常可以做到O.Smm以下，并且具有可柔性弯曲的特性，非常适合集成于有源RFID电子标签(包括半无源电子标签)。
从全球RFID应用规模来看，RFID市场一直实现快速增长。据估计，未来4年，RFID市场的CAGR为14%，2016年达到262.3亿美元。在RFID细分市场中，有源电子标签的市场份额将得到提升。有源RFID系统的销售，未来4年的CAGR将达到30%，2016年达到67.8亿美元。相比无源标签，有源标签在RFID技术市场中占据的份额将会越来越大，占总RFID市场份额在2017年将达到26.3%。
未来几年，全球RFID市场的快速增长以及有源电子标签的市场份额提升，将为纸电池创造巨大的市场空间。
2）智能卡
智能卡属于半导体卡，采用微电子技术进行信息的存储、处理。按照组成结构，智能卡可以分为非加密存储卡、加密存储卡、CPU卡和超级智能卡。
由于要在卡内部进行数据运算，超级智能卡还有支持键盘输入、液晶显示、发声等功能，CPU卡和超级智能卡需要配置内部供电电源。由于智能卡尺寸(厚度小于1mm)的限制以及可弯曲的特性，超薄型的纸电池适合应用于该两类卡片的内部集成。
3）微型传感器
随着半导体信息技术的发展，微型化、多功能化、智能化成为传感器的发展趋势，大量的无线MEMS传感器应用于汽车、国防军工、航空航天等领域。MEMS传感器是一个高度集成的完整系统，包括了传感器、存储单元、运算单元、信号发送单元等部分，微传感器系统的工作需要微型电池来提供电源。对于无线MEMS传感器，所有部件高度集成于微小的空间内，传感器尺寸在几毫米以下，甚至达到几百个微米的量级，传统电池尺寸无法满足要求，将纸电池应用于微传感器系统，可以充分利用其超薄、可重复充电等特性，满足微传感器系统高度集成、高可靠性以及较长使用寿命的要求。
4）医疗和化妆品贴膜
在化妆品和医药品应用方面，如一次性电离子渗透器，利用微电流促进有效药物成份或护肤成份透过皮肤表层和毛孔渗入深层肌肤。
纸电池可集成于贴膜类化妆品，加强化妆品活性成分的渗透吸收。在微电流驱动下，活性物质从阳极(正极)到达角质层(皮肤的最外层)，能帮助活性物质在电流驱动下到达皮肤特定区域，并在该区域被吸收;应用于人体表面无创主动给药贴膜，利用微电流，可以促进药物通过诸如皮肤或指甲等的生物隔膜，提升局部药物配方到达率。
4、纸电池的应用存在的困难
目前，已商业化的纸电池(PowerPaper和Enfucell公司的产品)都是一次电池，无法充电重复使用，电池的使用寿命受到电池容量的限制而不会太长。有源RFID标签、智能卡、微型传感器均是一体化集成度高、长期稳定工作的产品，在使用寿命周期内不方便更换电池，
因此要求供电电池具有长期稳定供电的能力，当前已推出的纸电池的应用受到限制。纸电池要大量应用于有源RFID标签、智能卡、微型传感器领域，必须发展二次电池技术，使其具备超薄、柔性、可重复充电使用的综合特征。
另外，纸电池的市场应用还面临另一种超薄型电池一一固态薄膜锂电池的竞争。固态薄膜锂电池是利用磁控溅射、化学气相沉积等方法，将锂离子正极材料、电解质、负极材料以及电流集流层、保护层等按照合理的顺利，逐层沉积到基体材料上封装而成，固态薄膜锂电池本质上是锂电池。由于其电解质采用固态材料(LiPON)或者锂离子聚合物，加上逐层沉积的特殊制作工艺，固态薄膜锂电池不仅可以获得厚度范围在0.17mm-0.9mm之间的超薄结构，并可以获得优异的性能。
目前，国际上推出固态薄膜锂电池产品的公司有美国InfinitePowerSolutions公司、CYMBET公司、EXCELLATRON公司以及SOLICORE公司。纸电池由于其采用印刷工艺制造，成本相对较低，而采用纸张作为基体，柔性好，应用于医疗和化妆品贴膜等一次性使用的产品具有优势。薄膜固态锂电池一般采用磁控溅射、化学气相沉积等较为复杂的制造工艺，成本相对较高，但是，薄膜锂电池属于二次电池，可以通过非接触式射频技术进行重复充电使用，在有源射频标签、智能卡、微型传感器等应用领域，薄膜固态锂电池比纸电池更具有应用优势。
此外，纸电池是以OEM产品的形式存在，生产厂家是以配套的形式跟其他应用型产品结合在一起，需要各个应用行业进行相应的技术改革，与现有体系相博弃存在较大的难度。
纸电池一一是利用印刷技术将电子油墨印刷在聚合物薄膜上而形成的新型清洁微动力能源，具有可折叠、超薄、微动力等特性。
纸电池技术原理简介
目前，国际上推出纸电池产品的公司有以色列PowerPaper公司、芬兰Enfucell公司，国内的长荣股份投资的纸电池产业引进的是以色列PowerPaper公司的技术和产品。从以上两家公司纸电池产品的类属上来看，均是锌锰电池，属于一次电池，无法对电池进行充电。PowerPaper公司的技术最成熟，已经推出了集成有纸电池的化妆品贴膜、医药贴膜产品，其客户有雅诗兰黛。芬兰Enfucell公司的纸电池技术目前还处于产品试制阶段。
二次电池一一锂离子纸电池还处于实验室研发阶段，以斯坦福大学为代表。纸电池的二次电池技术实际上是将液态锂离子电池在薄层纸张上实现，其最大的优势在于可对电池进行重复充电使用，将扩大纸电池的应用场合。一次纸电池可以通过特殊电子油墨印刷工艺来实现，但锂离子纸电池的制作过程首先要制备双层的正极(负极)材料，工艺稍显复杂，制作工艺的问题延缓了产业化应用进程。
3、纸电池技术的应用前景:
纸电池具有超薄、柔性、质轻等特点，特别适合应用于便携、尺寸小、集成度高的小功率供电场合。
1）有源射频识别(RFID)电子标签
射频识别(RFID)技术是一项利用射频信号通过空间藕合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。最简单的RFID系统由电子标签、读写器和天线三部分组成。
按供电方式的不同，RFID标签可以分为有源、无源和半无源电子标签。无源RFID标签没有内装电池，通过标签天线从读写器天线线圈发出的能量中感生出工作电压，其特点是重量轻、体积小、寿命长，但工作距离短;有源RFID标签内装有电池，通过电池供电，其特点是识别距离长，但价格较高且寿命短。而半无源RFID标签部分依靠电池工作。
有源射频标签简图
从全球RFID应用规模来看，RFID市场一直实现快速增长。据估计，未来4年，RFID市场的CAGR为14%，2016年达到262.3亿美元。在RFID细分市场中，有源电子标签的市场份额将得到提升。有源RFID系统的销售，未来4年的CAGR将达到30%，2016年达到67.8亿美元。相比无源标签，有源标签在RFID技术市场中占据的份额将会越来越大，占总RFID市场份额在2017年将达到26.3%。
未来几年，全球RFID市场的快速增长以及有源电子标签的市场份额提升，将为纸电池创造巨大的市场空间。
2）智能卡
智能卡属于半导体卡，采用微电子技术进行信息的存储、处理。按照组成结构，智能卡可以分为非加密存储卡、加密存储卡、CPU卡和超级智能卡。
智能卡分类及特点
3）微型传感器
随着半导体信息技术的发展，微型化、多功能化、智能化成为传感器的发展趋势，大量的无线MEMS传感器应用于汽车、国防军工、航空航天等领域。MEMS传感器是一个高度集成的完整系统，包括了传感器、存储单元、运算单元、信号发送单元等部分，微传感器系统的工作需要微型电池来提供电源。对于无线MEMS传感器，所有部件高度集成于微小的空间内，传感器尺寸在几毫米以下，甚至达到几百个微米的量级，传统电池尺寸无法满足要求，将纸电池应用于微传感器系统，可以充分利用其超薄、可重复充电等特性，满足微传感器系统高度集成、高可靠性以及较长使用寿命的要求。
4）医疗和化妆品贴膜
在化妆品和医药品应用方面，如一次性电离子渗透器，利用微电流促进有效药物成份或护肤成份透过皮肤表层和毛孔渗入深层肌肤。
纸电池可集成于贴膜类化妆品，加强化妆品活性成分的渗透吸收。在微电流驱动下，活性物质从阳极(正极)到达角质层(皮肤的最外层)，能帮助活性物质在电流驱动下到达皮肤特定区域，并在该区域被吸收;应用于人体表面无创主动给药贴膜，利用微电流，可以促进药物通过诸如皮肤或指甲等的生物隔膜，提升局部药物配方到达率。
纸电池用于微电流贴膜化妆品
目前，已商业化的纸电池(PowerPaper和Enfucell公司的产品)都是一次电池，无法充电重复使用，电池的使用寿命受到电池容量的限制而不会太长。有源RFID标签、智能卡、微型传感器均是一体化集成度高、长期稳定工作的产品，在使用寿命周期内不方便更换电池，
因此要求供电电池具有长期稳定供电的能力，当前已推出的纸电池的应用受到限制。纸电池要大量应用于有源RFID标签、智能卡、微型传感器领域，必须发展二次电池技术，使其具备超薄、柔性、可重复充电使用的综合特征。
另外，纸电池的市场应用还面临另一种超薄型电池一一固态薄膜锂电池的竞争。固态薄膜锂电池是利用磁控溅射、化学气相沉积等方法，将锂离子正极材料、电解质、负极材料以及电流集流层、保护层等按照合理的顺利，逐层沉积到基体材料上封装而成，固态薄膜锂电池本质上是锂电池。由于其电解质采用固态材料(LiPON)或者锂离子聚合物，加上逐层沉积的特殊制作工艺，固态薄膜锂电池不仅可以获得厚度范围在0.17mm-0.9mm之间的超薄结构，并可以获得优异的性能。
目前，国际上推出固态薄膜锂电池产品的公司有美国InfinitePowerSolutions公司、CYMBET公司、EXCELLATRON公司以及SOLICORE公司。纸电池由于其采用印刷工艺制造，成本相对较低，而采用纸张作为基体，柔性好，应用于医疗和化妆品贴膜等一次性使用的产品具有优势。薄膜固态锂电池一般采用磁控溅射、化学气相沉积等较为复杂的制造工艺，成本相对较高，但是，薄膜锂电池属于二次电池，可以通过非接触式射频技术进行重复充电使用，在有源射频标签、智能卡、微型传感器等应用领域，薄膜固态锂电池比纸电池更具有应用优势。
此外，纸电池是以OEM产品的形式存在，生产厂家是以配套的形式跟其他应用型产品结合在一起，需要各个应用行业进行相应的技术改革，与现有体系相博弃存在较大的难度。
集成有固态薄膜锉电池的有源RFID卡、智能卡以及微型传感器
