Гибкие печатные батареи: в 10 раз выше плотность энергии при стандартном шелкографическом печати

Профессор Инь Ширли Мэн и ее команда в UC San Diego разработали рабочий прототип гибкого оксидно-цинкового батарея, которая имеет по крайней мере в десять раз большую ареальную плотность энергии, чем типичная литий-ионная батарея. Ее можно производить стандартной шелкографической технологией в обычной комнатной среде.

Tech Briefs: Как вы пришли к идее этого проекта?

Мэн: У меня есть независимая группа с 2008 года, работающая над литий-ионными батареями. Некоторые люди, использующие батареи, начали спрашивать, можем ли мы сделать гибкие, растяжимые, высокоэнергетические батареи. Всегда был спрос на приложения, где литий-ионные батареи было бы трудно использовать. И всегда были проблемы, связанные с химией литий-ионных батарей.

Мой коллега, профессор Джозеф Вонг, специализируется на печатной электронике, и мы начали думать, что две дисциплины могут работать вместе, чтобы понять, как сделать батареи любой формы, растяжимыми и гибкими. Рост IoT особенно подстегнул наше желание разработать такую технологию.

Tech Briefs: Мне интересно, почему есть такой большой спрос на гибкие, изгибаемые, растяжимые батареи. Каковы некоторые приложения?

Мэн: В последние годы было довольно много приложений. Один пример — Fitbit — много устройств для мониторинга здоровья. Многие датчики, биосенсоры, уже внедрены в одежду или на мобильные устройства, но они в основном в жесткой форме. Они носимы, но вы осознаете, что носите их. Батареи часто являются ограничивающим фактором. Я думаю, нам нужна растяжимая, изгибаемая батарея, потому что люди хотят носить их, но не хотят чувствовать громоздкие батареи.

Хороший пример для мышления как первого поколения продукта — ремешок Apple Watch или Fitbit может быть батареей. Также некоторые люди могут хотеть носить повязку на голове с интегрированным биосенсором. Если она также содержала бы батарею, данные сенсора могли бы передаваться напрямую в приложение. Много биометрической информации можно получить о состоянии вашего здоровья, отслеживая пот и слюну.

Это очень захватывающие темы исследований, над которыми мы работаем сейчас. Компании по производству одежды заинтересованы; и оборонная промышленность заинтересована, потому что военные хотят, чтобы их люди были в лучшем состоянии. В результате их телесные сигналы постоянно отслеживаются, поэтому наличие источников питания, которые мягкие и гибкие с высокой мощностью и высокой производительностью, действительно важно.

Tech Briefs: Я бы подумал, что сенсорная часть не нуждается в такой высокой мощности, но, я думаю, передача сигнала требует.

Мэн: Это верно, большинство датчиков не нуждаются в высокой мощности, но вам нужно что-то, чтобы считывать сигналы и передавать их на телефон или Bluetooth-устройство, например. Конечно, можно использовать жесткий монетный элемент, но устройство не будет выглядеть очень круто.

Tech Briefs: И, как вы сказали, это делает его неудобным, потому что он жесткий. О какой емкости идет речь в миллиампер-часах? Как долго он может работать до перезарядки?

Мэн: Наша настоящая батарея, которая не перезаряжаемая, имеет емкость около 100 мВт-ч на квадратный сантиметр. Это в несколько раз выше емкости литий-ионной батареи.

Tech Briefs: А как насчет срока службы вашей батареи по сравнению с литий-ионной?

Мэн: Мы делаем в два или три раза лучше по длительности работы, чем типичный литий-ионный монетный элемент.

Tech Briefs: Вы сказали, что обычно гибкие батареи должны производиться в стерильных условиях под вакуумом, но ваша не требует этого. Как вы этого добиваетесь?

Мэн: Мы отказались от литийной химии. Мы используем цинковые батареи, поэтому ионы, которые переносятся — это цинковые ионы. Это безвредная химия, которую можно производить в обычных условиях. Это позволяет нам использовать шелкографическую печать вместо вакуумного метода. Это метод, который мы заимствовали у печатных биосенсоров для массового производства наших гибких батарей. Снижение затрат здесь очень значительно с этим типом производственного процесса.

Tech Briefs: Вы рассматривали масштабирование процесса производства чернил?

Мэн: У нас есть крупный промышленный партнер, который совместно развивает это с нами. Так что на следующем этапе они рассматривают масштабирование. Мы говорили о десятках миллионов в продажах, основанных на наших прогнозах промышленного спроса. Так что у нас очень крутая кривая обучения — прямо сейчас батарея изготавливается вручную студентами в нашей лаборатории — нам нужно автоматизировать весь процесс, включая печать.

Tech Briefs: В описании, которое я читал, говорится о токосъемнике. Что это такое?

Мэн: Токосъемники — это положительные и отрицательные контакты для подключения к выходу батареи. Мы думаем, что тоже сможем их печатать.

Tech Briefs: Вы сказали, что экономика производства будет в конечном счете очень хорошей.

Мэн: Единственная наша озабоченность — цена серебра. Но эти батареи будут перерабатываться, поэтому мы надеемся, что используемое серебро в конечном счете станет замкнутым циклом. Мы можем переработать более 90% всех материалов, особенно оксид серебра на катоде. Мы делаем последующую работу по масштабируемости и техно-экономическому анализу этой химии.

Tech Briefs: Как форма и размер вашей батареи сравниваются с литий-ионной?

Мэн: Наша форма на самом деле настраивается прямо сейчас. Мы сделали 2x2 см, 1x5, 2x5 и 3x3. Так что мы можем делать многомерные элементы и также складывать их. В печати легко наслаивать слои для наращивания напряжения. В принципе с той же площадью, если я делаю многослойную печать, я могу достичь той же плотности энергии, что и монетные элементы, но все еще сохранять гибкость. Многие клиенты хотят удлиненную форму, знаете ли, как 1x5 для ремешка.

Все это в таблице дизайна. Вы можете подключить нужную энергию, а также условия печати. Так, например, если вы проектируете 5x5 патч источник энергии, при определенной плотности энергии, мы можем напечатать его по заказу. Печать легко регулируется.

Tech Briefs: Каковы следующие шаги в вашем исследовании?

Мэн: Далее мы выпустим первую версию неперезаряжаемую. Второе поколение будет перезаряжаемым на 300 циклов. Для них плотность энергии немного снизится, но у перезаряжаемых батарей другие требования. Мы продемонстрировали это в маленькой ячейке в лаборатории, но теперь нам нужно продемонстрировать это в реальных печатных ячейках.

Я думаю, основное узкое место — масштабирование. От десятков ячеек к производству тысяч — это очень критичный шаг.

Tech Briefs: Есть ли у вас представление о сроках коммерциализации?

Мэн: Мы надеемся, что продукт будет готов примерно через два года. Что касается спроса, он несколько связан с ростом IoT, например, автономных транспортных средств. Автомобиль должен говорить со всем, верно? Пешеходы, деревья, здания, всё должно быть передано, чтобы вы знали, где всё находится. Я бы предсказала, что это уже должно было произойти, но, знаете ли, эти вещи еще не произошли.

Другая вещь — IoT для персонализированного мониторинга здоровья. С точки зрения ученого, я думаю, это уже должно было произойти. Люди должны иметь возможность использовать свои мобильные телефоны для немедленного считывания уровня сахара в крови, например. Для Covid мы должны иметь возможность самоотслеживания. Но я вижу, что в будущем большинство вещей: инфраструктура, здания, всё будет помечено датчиками и батареями.

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

Tech Briefs: И затем возможность передать эту информацию непосредственно вашему врачу.

Мэн: Да, вашему врачу и также должностным лицам общественного здравоохранения нужно знать, заражен ли человек. Не для нарушения вашей приватности, но вам нужно это делать, чтобы держать вещи под контролем.

Отредактированная версия этого интервью появилась в марте 2021 года в выпуске Tech Briefs.