V&A:Afdrukbare flexibele batterijen

Professor Ying Shirley Meng en haar team van UC San Diego hebben een werkend prototype ontwikkeld van een flexibele zilveroxide-zinkbatterij die minstens tien keer de oppervlakte-energiedichtheid heeft van een typische lithium-ionbatterij. Het kan worden vervaardigd met standaard zeefdruktechnologie in een normale kameromgeving.

Tech Briefs:Hoe kwam je op het idee voor dit project?

Meng: Ik heb sinds 2008 een onafhankelijke groep die aan lithium-ionbatterijen werkt. Sommige mensen die batterijen gebruikten, vroegen zich af of we flexibele, rekbare, energierijke batterijen konden maken. Er is altijd vraag geweest naar toepassingen waar lithium-ion moeilijk te gebruiken zou zijn. En er zijn altijd problemen geweest met lithium-ion-chemie.

Mijn collega, professor Joseph Wong, is een printbare elektronica-persoon en we begonnen te denken dat de twee disciplines zouden kunnen samenwerken om erachter te komen hoe batterijen van elke vorm te maken en rekbaar en flexibel te zijn. Met name de opkomst van IoT voedde onze wens om een ​​dergelijke technologie te ontwikkelen.

Tech Briefs:Ik ben benieuwd waarom er zo'n grote vraag is naar flexibele, buigbare rekbare batterijen. Wat zijn enkele van de toepassingen?

Meng: De afgelopen jaren zijn er nogal wat aanvragen binnengekomen. Een voorbeeld is Fitbit - er zijn veel apparaten voor gezondheidsbewaking. Veel sensoren, biosensoren, zijn al geïmplementeerd in kleding of op mobiele apparaten, maar meestal in starre vorm. Ze zijn draagbaar, maar je bent je ervan bewust dat je ze draagt. De batterijen zijn vaak de beperkende factor. Ik denk dat we een rekbare, buigbare batterij nodig hebben omdat mensen ze willen dragen, maar geen onhandige batterijen willen voelen.

Een goed voorbeeld om over na te denken als een product van de eerste generatie is dat de polsband op de Apple Watch of Fitbit een batterij kan zijn. Sommige mensen willen misschien ook een hoofdband met een geïntegreerde biosensor dragen. Als er ook een batterij in zat, zouden de sensorgegevens direct naar een app kunnen worden verzonden. Er kan veel biometrische informatie worden verkregen over de status van uw gezondheid door uw zweet en speeksel te controleren.

Dat zijn de zeer spannende onderzoeksonderwerpen waar we nu aan werken. Kledingbedrijven zijn geïnteresseerd; en de defensie-industrie is geïnteresseerd omdat het leger wil dat hun mensen in topconditie zijn. Als gevolg hiervan worden hun lichaamssignalen constant gecontroleerd, dus het hebben van krachtige apparaten die zacht en flexibel zijn met een hoog vermogen en hoge prestaties is erg belangrijk.

Tech Briefs:ik zou denken dat het sensorgedeelte niet zo'n hoog vermogen nodig heeft, maar ik denk dat het verzenden van het signaal dat wel doet.

Meng: Dat klopt, de meeste sensoren hebben geen hoog vermogen nodig, maar je hebt iets nodig om de signalen te lezen en ze naar bijvoorbeeld een telefoon of Bluetooth-apparaat te sturen. Je kunt natuurlijk een knoopcel met harde behuizing gebruiken, maar het apparaat ziet er niet erg cool uit.

Tech Briefs:En zoals je al zei, het maakt het ongemakkelijk omdat het stijf is. Over wat voor capaciteit heb je het in milliampère-uren? Hoe lang kan het duren voordat je het moet opladen?

Meng: Onze huidige batterij, die niet oplaadbaar is, heeft een capaciteit van ongeveer 100 mW-uur per vierkante centimeter. Het is een paar keer hoger dan de capaciteit van een lithiumbatterij.

Tech Briefs:hoe zit het met de levensduur van uw batterij versus lithium?

Meng: We doen het twee of drie keer beter dan de werkingsduur van een typische lithium-ion knoopcel.

Tech Briefs:u hebt gezegd dat flexibele batterijen normaal gesproken in steriele omstandigheden onder vacuüm moeten worden geproduceerd, maar de uwe niet. Hoe kun je dat bereiken?

Meng: We bleven weg van lithiumchemie. We gebruiken op zink gebaseerde batterijen, dus de ionen die worden getransporteerd zijn zinkionen. Het is een goedaardige chemie die kan worden geproduceerd bij omgevingscondities. Daardoor kunnen we zeefdruk gebruiken in plaats van vacuüm. Het is een methode die we hebben overgenomen van afdrukbare biosensoren om onze flexibele batterijen in massa te produceren. De kostenreductie is hier zeer significant bij dit soort fabricageprocessen.

Tech Briefs:heb je gekeken naar het opschalen van het proces van het produceren van de inkt?

Meng: We hebben een grote industriële partner die dit samen met ons ontwikkelt. Dus voor de volgende fase overwegen ze de schaalvergroting. We hebben het gehad over tientallen miljoenen verkopen, gebaseerd op onze prognoses van de eisen van de industrie. We hebben dus een zeer steile leercurve - op dit moment wordt de batterij met de hand gemaakt door studenten in ons lab - we moeten het hele proces automatiseren, inclusief het printen.

Tech Briefs:In de beschrijving die ik las, wordt gesproken over een stroomafnemer. Wat is dat?

Meng: De stroomcollectoren zijn positieve en negatieve lipjes voor aansluiting op de uitgang van de batterij. We denken dat we ze ook kunnen afdrukken.

Technische briefing: U zei dat de rendabiliteit van de productie ervan uiteindelijk zeer goed zal zijn.

Meng: De enige zorg die we hebben is de prijs van zilver. Maar deze batterijen zullen worden gerecycled, dus we hopen dat het gebruikte zilver uiteindelijk een gesloten kringloop zal zijn. We kunnen alle materialen voor meer dan 90% recyclen, vooral het zilveroxide op de kathode. We doen vervolgonderzoek naar de schaalbaarheid en de techno-economische analyse van deze chemie.

Technische briefing: Hoe zou de vorm en grootte van uw batterij zich verhouden tot lithium-ion?

Meng: Onze vorm is nu eigenlijk op maat gemaakt. We hebben 2 x 2 cm, 1 x 5, 2 x 5 en 3 x 3 gedaan. We kunnen dus multidimensionale cellen maken en ze dan ook stapelen. Bij het printen is het gemakkelijk om lagen te stapelen om de spanning op te bouwen. In principe kan ik met hetzelfde oppervlak, als ik meerlaags printen, dezelfde energiedichtheid bereiken als muntcellen, maar toch flexibel zijn. Veel klanten willen een langwerpige vorm, je weet wel, zoals 1 x 5 voor een polsbandje.

Deze staan ​​allemaal in een ontwerpspreadsheet. U kunt de energie die u nodig heeft aansluiten, evenals de afdrukvoorwaarden. Dus als u bijvoorbeeld een energiebron van 5 x 5 vlakken ontwerpt, bij een bepaalde energiedichtheid, kunnen we deze op maat afdrukken. De bedrukking is eenvoudig aan te passen.

Tech Briefs:wat zijn de volgende stappen in uw onderzoek?

Meng: Vervolgens zullen we de niet-oplaadbare versie van de eerste generatie uitbrengen. De tweede generatie is oplaadbaar voor 300 cycli. daarvoor zal de energiedichtheid een beetje dalen, maar er zijn andere vereisten voor oplaadbare batterijen. We hebben het in een kleine cel in het lab gedemonstreerd, maar nu moeten we het in de daadwerkelijke afgedrukte cellen demonstreren.

Ik denk dat het grootste knelpunt de schaalverdeling is. Van tientallen cellen tot duizenden maken - dat is een zeer cruciale stap.

Technische briefing: Heb je enig idee van de tijdlijn om het te commercialiseren?

Meng: We hopen dat het product over ongeveer twee jaar klaar zal zijn. Wat de vraag betreft, die hangt enigszins samen met de groei van het IoT van bijvoorbeeld autonome voertuigen. De auto moet met alles praten, toch? Voetgangers, bomen, gebouwen, alles moet gecommuniceerd worden zodat je weet waar alles is. Ik zou hebben voorspeld dat het al had moeten gebeuren, maar je weet dat die dingen nog niet zijn gebeurd.

Het andere is het IoT voor gepersonaliseerde gezondheidsmonitoring. Vanuit mijn wetenschappelijk perspectief denk ik dat dit al had moeten gebeuren. Mensen moeten hun mobiele telefoon kunnen gebruiken om bijvoorbeeld direct de bloedsuikerspiegel af te lezen. Voor Covid moeten we in staat zijn om onszelf te controleren. Maar ik zie wel dat in de toekomst de meeste dingen:infrastructuur, gebouwen, alles, worden getagd met sensoren en batterijen.

Ik denk dat telehealth nu een heel belangrijk gebied is. We hebben het coronavirus, dus dit is een van onze belangrijkste drijfveren. Ik vertelde mijn studenten dat het heel belangrijk is, omdat ik denk dat het coronavirus nog lang bij ons zal zijn, dus iedereen heeft de verantwoordelijkheid om zijn eigen gezondheidsniveau in de gaten te houden. Momenteel worden er sensoren ontwikkeld, ook voor virusdetectie, die zeer betrouwbare stroombronnen nodig hebben.

Tech Briefs: En dan deze informatie rechtstreeks naar uw arts kunnen sturen.

Meng: Ja, uw arts en ook volksgezondheidsfunctionarissen moeten weten of een persoon besmet is. Niet om je privacy te schenden, maar je moet dat wel doen om de zaken onder controle te houden.

Een bewerkte versie van dit interview verscheen in de Tech Briefs van maart 2021.