第四届“挑战杯”学生创业计划竞赛金奖作品[1] -(7)

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1.1背景资料分析

被访者男女比例为5.6:4.4。职业分布较广泛，包括学生、公司职员、教师、政府工作人员等多种阶层。其年龄分布和手机通信费消费额分布如图所示： 被访者年龄分布(图略)

在整个调研比例中，各个要素比例分布比较合理，与当今手机市场分布基本相符，所以调研结果具有一定参考价值。 1.2手机市场分析

拥有量： 在被访者中，手机拥有量超过96%，调研主要针对这96%的人群。 更换率：被访者中57.1%的人曾经换过手机，且21.4%的人更换1次以上。

更换原因：手机损坏、丢失和追求时尚分列1-3位，只有2.9%的人因为电池板损坏而更换手机。因此，目前手机电池板的寿命很多大过手机，而手机电池板的不通用性使得多过时手机电板成为一种浪费。

选购依据：被访者选择手机时，最看重的要素依次是：手机性能，手机外型，价格，手机品牌和附加功能。

需创新方面：如图

小结：手机用户对手机电池板目前的性能持最大的保留意见。事实上，随着手机功能的增强，对手机电量的消耗将越来越大，但现在市场上的各种电池板仍较难满足消费者的一些需要，如应急性的补充电量。

1.3手机电池板市场分析

电池板满意度：被访者对目前市场上手机电池板的满意度普遍不高，如下左图所示。究其原因，被访者认为现有电池板的厚度、重量、电量等方面都可有所改进，具体如下右图示。

“突然断电”问题：在右上图中，被访者对电池板的电量问题给予了最大关注，造成这一结果的原因是——91.4%的被访者都曾遭遇过手机突然没电的尴尬：

与家人或朋友一时失去联系 71.9% 生意受阻 29.7% 有急事无法联系外界 75% 小结：解决“突然断电”问题的关键在于能否及时给手机补充电量。

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1.4 “闪电贴”市场分析

市场接受度：调研中对“闪电贴”定义如下：一次性贴纸型手机电池，粘贴在电池板背面即可使用，电量为传统电池板一半左右。

被访者对“闪电贴”的性能产生了极大兴趣。100%的被访者表达了购买意图，其中87.1%的人“被价格而定”，而剩下的12.9%人群表示“一定会购买”。

性能关注度：为了解被访者对“闪电贴”现有和潜在性能关注度，被访者被要求将10分按他们关注的重要型分配给以下几点：价格、环保、使用便捷、电量、外观时尚。结果如下图所示：

价格：被访者对“闪电贴”的可接受价格范围为：3.7元—8.2元。这为后期定价提供了一定依据。 购买地点：被访者意愿如下图所示：

因此，便利店将是销售渠道最重要的组成部分，书报亭和大型超市也需要重点关注。

小结：“闪电贴”因其特有的市场定位，即应急补充电量，市场前景良好。而电量和价格是市场占有率的最关键要素。 2 海外市场

在回收的样本中显示，“闪电贴”海外市场同样具有潜力，且可接受价格都在10元人民币以上，而销售渠道也集中于便利店和大型超市。

电极和电池还可以制备到多种基底材料上，如金属、陶瓷、塑料、纸张等，这也为它开拓了广阔的应用空间。 二、技术创新点

我们首次提出超薄打印电池的高技术概念并实现了将现代喷墨打印技术应用于化学电源的制备，研制出制备具有高能量超薄电极和超薄电池的新方法。

目前制备超薄电池的主要方法是化学沉积和物理溅射，但其工艺繁琐，实验条件要求高，生产成本昂贵，难以精确控制所需制备的电池大小、形状和厚度，因而大大限制其作为大规模集成电路电源对集成化、高精密化要求。

我们已经成功制备出的超薄打印电池工作电压与传统工艺生产电池相当，但是比能量大大优于传统工艺制备出的产品（例如：超薄打印锌锰干电池的工作电压为1.5伏，正极比能量为270mAh/g；而传统工艺生产出的1.5伏锌锰电池，文献报道正极最高比能量为200mAh/g）。更为重要的是，利用我们的打印方法可以将电极和电池打印到各种基底上，大大简化了电池生产工艺，降低了生产成本，同时结合计算

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机技术可精确控制打印电极和电池的位置、形状、大小的特点，满足了现代工业对于微型电源形状多样化以及高精密化的要求。可以广泛适用于大规模集成电路、微电机、微机械以及各种智能卡等各种电子产品。 三. 技术可行怀论述

1. 纳米材料在化学电源中的应用

纳米科学技术是一门在0.1—100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性的学科。它包括纳米物理学、纳米电子学、纳米材料科学、纳米机械学、纳米显微学、纳米计量学、纳米制造技术等等，它是一门基础研究与应用探索紧密结合的新型科学技术。

进入90年代，纳米科学技术已经扩展到化学电源领域。由于纳米材料具有量子尺寸引起的特殊的量子限域效应和界面效应，因此纳米材料具有与其它非纳米材料所不同的许多独特的物理和化学性质。纳米材料、纳米复合材料作为嵌锂材料，由于其特殊的纳米微观结构及形貌，可望更加有效地提高材料的可逆嵌锂容量和循环寿命。纳米活性材料所具有的比表面大、锂离子嵌入脱出深度小、行程短的特性，使电极在大电流下充放电极化程度小，可逆容量高，循环寿命长；纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间，和有机溶剂具有良好的相容性，也给锂离子嵌入脱出提供了大量空间，进一步提高嵌锂容量及能量密度。

在化学电源领域里，目前已经研究开发出多种纳米新材料。例如，用于镉-镍、金属氢化物-镍、锌-镍电池的纳米相Ni(OH)2，AB5型贮氢合金LaNi3.5Co0.8Mn0.4A10.3。用于锂离子电池阴极材料的锰钡矿型Mn02纳米纤维，聚吡咯（PPY）包覆尖晶石型LiMn204纳米管，TiS2微管，纳米晶态V02（B）、Ti02,热解聚硅烷、聚硅氧烷、聚沥青硅烷，以及多种纳米复合材料。纳米碳材料和纳注二氧化锡材料则主要用作锂离子电池的阳极材料。另外，锰钡矿型Mn02纳米要纤维还可以用作燃料电池的催化组分，纳米晶态V02（B）既可用作4V锂离子电池的阴极材料，又可作为阳极与Limn204配对组成1.5V水溶液锂离子电池。

纳米科学技术已经在材料科学、微电子技术、信息产业、生物学等领域不断创造出奇迹和新进展。从纳米尺度上重新认识和开发新型电池材料并制备出新型电池，一定也会成为下个世纪化学电源领域里最激动人心的高新技术。

2、现代喷墨打印技术

喷墨打印是一种非撞击、点阵式打印技术，墨滴由小孔直接喷射到介质表面的特定位置以形成图象。目前，喷墨打印机在打印机市场中占据着主流地位，造成这种市场发展潮流的原因是社会发展大环境和喷

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墨打印机本身技术成熟两方面因素形成的。PC、Internet的日益普及深刻地影响着打印机这一计算机外设市场各个层次的发展，为喷墨打印机市场提供的发展的舞台。另一方面，喷墨技术的日趋完善，技术成本不断除低，使打印机价格直线下降。内、外两方面的因素为喷墨打印机的市场发展创造了条件。

社会生活水平的提高，人们对信息产品的接受，为喷墨打印机走向大众铺平了道路，喷墨技术本身的发展，使其在打印精度及彩表现上实现了可比拟照片的效果，人们对彩色喷墨打印机的印象也大为改观。

目前市场上流行的喷墨打印机的分辨率都在720dpi以上，有的甚至达到了2800dpi，因此完全可以满足我们用以制备超薄化学电源的需要。

综上，纳米科技的飞速发展和现代喷墨打印技术的日趋成熟，为我们运用喷墨打印技术制备超薄打印电池的设想的可行性提供了理论和实践的论据。

四、超薄打印锌锰电池（一次性电池）及镍锌电池（可循环充放电池） 利用循环伏安方法研究打印电极薄层电化学 打印方法制备的二氧化锰正极的循环曲线 扫描速度：1mvs-1

（b）电沉积制备的二氧化锰薄膜的循环曲线 扫描速度：1mvs-1

图七 二氧化锰正极循环曲线

图七为二氧化锰正极循环伏安曲线图，其中a为喷墨打印方法制得的二氧化锰正极为采用喷墨打印技术制备的纳米二氧化锰电极，对电极和参比电极均为金属锌，电解液为氯化铵和氯化锌的混合液）b为通过电沉积制得的二氧化锰薄膜的循环曲线（制备方法见附录二）。由图a可见在0.25V左右出现的还原峰对应为二氧化锰的还原反应（二氧化锰初级还原反应机理：Mn02+H20+e- MnOOH+OH-）。该峰呈尖锐且对称型，说明了此电极具有超薄特性，显示了利用喷墨打印技术制备电极的优越性。

（3）打印电极的放电特性研究 图八 二氧化锰正极的放电曲线图

图八为二氧化锰正极的放电曲线，从中可以看出该薄层电极的放电平台稳定。根据放电时间以及循环伏安测试中计算得到的二氧化锰反应质量可以推算出该超薄电极的放电容量约为2700mAh/g，放电电流密度为4.01A/g。显而易见，无论是从放电容量抑或是放电电流密度角度，本实验的结果都显示了其比传统方法制备的二氧化锰薄层电更加优越的性能。产生该结果的主要原因为：电极的厚度极薄，电极中活

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性物质发生电化学反应时扩散过程可忽略，电极反应速度快，且纳米二氧化锰颗粒大的比表面积为电极反应提供了较大的反应面积，因此该电极显示了高的电化学活性。由于能提供较大的放电电流密度及容量，该打印制备的纳米薄层电极有望在微型、薄型电源领域发挥其独特的优势。而且，利用此电极制备方法，可以通过控制喷墨打印的次数来控制所制备电极的容量。

利用喷墨打印技术制备二次可充电池是本项目所设想的重点。Zn-Ni电池虽然价格稍贵，但从比能量，循环寿命，容量衰减等角度均较其他电池显示了明显的优势，且由于锌来源广泛，不具有毒性，不会像镉一样对环境造成污染，因此Zn-Ni电池研究和开发的主要领域是手提式电子仪器、电动自行车、助动车、电动摩托、电动汽车和混合电动车的动力源。

我们选择氢氧化镍作为正极材料对超薄镍锌电池进行了初步探索性研究，已经得了性能较好的打印氢氧化镍正极。

上图为超薄打印镍电极的循环伏安曲线，尖锐对称的峰形体现了电极的超薄特性。0.41V处的氧化峰对应于二价镍离子向三价镍离子的转化；0.30V处的还原峰则对应于三价镍离子向二价镍离子的转化。

下图为超薄打印镍电极的放电曲线，由此曲线可以看出，该电极的放电比容量约为260mAh/g，目前文献所报道的该项指标，均小于200mAh/g。由此可见，用纳米材料制备的超薄电极可以大大提高材料的利用率。

五、技术认证

该技术荣获首届CE“爱迪生”杯全国重点高校科技创新竞赛一等奖；第八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖等一系列奖项。并且是国家自然基金的重点扶持对象。发展前景乐观。该技术已经申请了国专利。

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