Вопросы и ответы:Гибкие батареи для печати

Профессор Ин Ширли Мэн и ее команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали рабочий прототип гибкой серебряно-цинковой батареи, плотность энергии по площади которой как минимум в десять раз выше, чем у типичной литий-ионной батареи. Он может быть изготовлен с использованием стандартной технологии трафаретной печати в обычных комнатных условиях.

Техническое описание. Как вам пришла в голову идея этого проекта?

Мэн: С 2008 года у меня есть независимая группа, работающая над литий-ионными батареями. Некоторые люди, использующие батареи, начали спрашивать, можем ли мы сделать гибкие, растяжимые, высокоэнергетические батареи. Всегда существовал спрос на приложения, в которых литий-ион было бы трудно использовать. И всегда были проблемы, связанные с литий-ионной химией.

Мой коллега, профессор Джозеф Вонг, специалист по печатной электронике, и мы начали думать, что эти две дисциплины могут работать вместе, чтобы выяснить, как сделать батареи любой формы, а также сделать их растяжимыми и гибкими. Развитие Интернета вещей особенно подстегнуло наше желание разработать такую ​​технологию.

Техническое описание. Мне любопытно, почему существует такой большой спрос на гибкие, гибкие, растягивающиеся аккумуляторы. Какие есть приложения?

Мэн: За последние годы появилось довольно много приложений. Один из примеров — Fitbit — устройств для мониторинга здоровья очень много. Многие датчики, биосенсоры уже внедрены в одежду или мобильные устройства, но в основном они в жесткой форме. Их можно носить, но вы осознаете, что носите их. Аккумуляторы часто являются ограничивающим фактором. Я думаю, нам нужны растягивающиеся и гибкие батареи, потому что люди хотят их носить, но не хотят чувствовать себя громоздкими батареями.

Хорошим примером, который можно рассматривать как продукт первого поколения, является то, что браслет на Apple Watch или Fitbit может быть батареей. Кроме того, некоторые люди могут захотеть носить оголовье со встроенным биосенсором. Если бы он также содержал батарею, данные датчика могли бы напрямую передаваться в приложение. Много биометрической информации можно получить о состоянии вашего здоровья, наблюдая за вашим потом и слюной.

Это очень интересные темы исследований, над которыми мы сейчас работаем. Компании по производству одежды заинтересованы; и оборонная промышленность заинтересована, потому что военные хотят, чтобы их люди были в отличном состоянии. В результате сигналы их тела постоянно отслеживаются, поэтому очень важно иметь мягкие и гибкие силовые устройства с высокой мощностью и высокой производительностью.

Техническое описание:я думаю, что сенсорная часть не нуждается в такой высокой мощности, но я предполагаю, что для передачи сигнала она нужна.

Мэн: Правильно, большинству датчиков не нужна высокая мощность, но вам нужно что-то, чтобы считывать сигналы и передавать их, например, на телефон или устройство Bluetooth. Конечно, можно использовать монетку в жестком корпусе, но устройство будет выглядеть не очень круто.

Техническое описание. Как вы сказали, он неудобен, потому что он жесткий. О какой емкости вы говорите в миллиампер-часах? Как долго он может работать, прежде чем вам потребуется его перезарядка?

Мэн: Наша существующая батарея, которая не перезаряжается, имеет емкость около 100 мВт-час на квадратный сантиметр. Это в несколько раз превышает емкость литиевой батареи.

Технические обзоры:как насчет срока службы вашей батареи по сравнению с литиевой?

Мэн: Мы делаем в два или три раза больше, чем продолжительность работы типичной литий-ионной батарейки типа «таблетка».

Технические заметки:Вы сказали, что обычно гибкие батареи должны производиться в стерильных условиях под вакуумом, но в вашем случае это не так. Как вам это удается?

Мэн: Мы держались подальше от литиевой химии. Мы используем батареи на основе цинка, поэтому переносимые ионы — это ионы цинка. Это безвредная химия, которая может быть получена в условиях окружающей среды. Это позволяет нам использовать трафаретную печать, а не вакуумный метод. Это метод, который мы переняли из печатаемых биосенсоров для массового производства наших гибких батарей. Снижение затрат здесь очень значительно при таком типе производственного процесса.

Технические заметки. Рассматривали ли вы возможность масштабирования процесса производства чернил?

Мэн: У нас есть крупный промышленный партнер, который разрабатывает это вместе с нами. Итак, для следующего этапа они рассматривают масштабирование. Мы говорили о десятках миллионов продаж, основываясь на наших прогнозах отраслевого спроса. Итак, у нас очень крутая кривая обучения — прямо сейчас студенты изготавливают батарею вручную в нашей лаборатории — нам нужно автоматизировать весь процесс, включая печать.

Техническое описание:В описании, которое я прочитал, говорится о токосъемнике. Что это?

Мэн: Токосъемники представляют собой положительные и отрицательные выводы для подключения к выходу батареи. Мы думаем, что сможем их напечатать.

Технические обзоры: Вы сказали, что в конечном итоге его производство будет очень выгодным.

Мэн: Нас беспокоит только цена серебра. Но эти батареи будут переработаны, поэтому мы надеемся, что используемое серебро в конечном итоге станет замкнутым циклом. Мы можем перерабатывать более 90% всех материалов, особенно оксид серебра на катоде. Мы продолжаем работу над масштабируемостью и технико-экономическим анализом этой химии.

Технические обзоры: Какова форма и размер вашей батареи по сравнению с литий-ионной?

Мэн: Наша форма на самом деле сделана на заказ прямо сейчас. Мы сделали 2 х 2 см, 1 х 5, 2 х 5 и 3 х 3. Итак, мы можем сделать многомерные ячейки, а затем также сложить их. При печати легко накладывать слои друг на друга для создания напряжения. В принципе, при той же площади, если я выполняю многослойную печать, я могу достичь той же плотности энергии, что и монетные ячейки, но при этом сохраняя гибкость. Многие клиенты хотят, чтобы браслет имел вытянутую форму, например, 1 x 5 для браслета.

Все это есть в конструкторской таблице. Вы можете подключить необходимую энергию, а также условия печати. Так, например, если вы разрабатываете источник энергии 5 x 5 участков с определенной плотностью энергии, мы можем напечатать его на заказ. Печать легко настраивается.

Технические заметки:каковы следующие шаги в вашем исследовании?

Мэн: Далее мы выпустим неперезаряжаемую версию первого поколения. Второе поколение будет перезаряжаться в течение 300 циклов. для них плотность энергии немного снизится, но к перезаряжаемым батареям предъявляются другие требования. Мы продемонстрировали это в маленькой ячейке в лаборатории, но теперь нам нужно продемонстрировать это в реальных напечатанных ячейках.

Я думаю, что основным узким местом является масштабирование. От десятков ячеек до тысяч — это очень важный шаг.

Технические обзоры: Есть ли у вас представление о сроках его коммерциализации?

Мэн: Мы надеемся, что продукт будет готов примерно через два года. Что касается спроса, то он в некоторой степени связан с ростом IoT, например, автономных транспортных средств. Машина должна говорить со всем, верно? Пешеходы, деревья, здания, обо всем нужно сообщать, чтобы вы знали, где что находится. Я бы предположил, что это уже должно было произойти, но вы знаете, что этого еще не произошло.

Другое дело — Интернет вещей для персонализированного мониторинга здоровья. С точки зрения ученого, я думаю, что это уже должно было произойти. Например, люди должны иметь возможность использовать свои мобильные телефоны для немедленного определения уровня сахара в крови. Для Covid мы должны иметь возможность самоконтроля. Но я вижу, что в будущем почти все:инфраструктура, здания, все будет помечено датчиками и батареями.

Я думаю, что телемедицина сейчас очень важная область. У нас есть коронавирус, так что это одна из наших главных движущих сил. Я сказал своим студентам, что это действительно важно, потому что я думаю, что коронавирус будет с нами очень-очень долго, поэтому каждый человек несет ответственность за контроль своего собственного уровня здоровья. В настоящее время разрабатываются датчики, в том числе для обнаружения вирусов, которым нужны очень надежные источники питания.

Технические обзоры: И затем возможность передать эту информацию непосредственно вашему врачу.

Мэн: Да, ваш врач, а также представители органов здравоохранения должны знать, инфицирован ли человек. Не для того, чтобы вторгаться в вашу личную жизнь, но вам нужно сделать это, чтобы держать все под контролем.

Отредактированная версия этого интервью опубликована в выпуске Tech Briefs за март 2021 г.