Flexibele printbare batterijen: 10x energiedichtheid met standaard schermprinten

Professor Ying Shirley Meng en haar team aan de UC San Diego hebben een werkend prototype ontwikkeld van een flexibele zilveroxide-zink batterij die ten minste tien keer de areale energiedichtheid heeft van een typische lithium-ion batterij. Het kan geproduceerd worden met standaard schermprinttechnologie in een normale kameromgeving.

Tech Briefs: Hoe kreeg u het idee voor dit project?

Meng: Ik heb sinds 2008 een onafhankelijke groep die werkt aan lithium-ion batterijen. Sommige mensen die batterijen gebruiken begonnen te vragen of we flexibele, rekbare, hoge-energie batterijen konden maken. Er is altijd een 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 samen konden werken om uit te zoeken hoe batterijen van elke vorm gemaakt kunnen worden en rekbaar en flexibel. De opkomst van IoT heeft onze wens om zo'n technologie te ontwikkelen bijzonder aangedreven.

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

Meng: In recent jaren zijn er quite a few toepassingen geweest. Een voorbeeld is Fitbit — er zijn veel gezondheidsmonitoring apparaten. Veel sensoren, biosensoren, zijn al geïmplementeerd in kleding of op mobiele apparaten, maar ze zijn meestal in rigide vorm. Ze zijn draagbaar, maar u bent u bewust van het dragen ervan. De batterijen zijn vaak de beperkende factor. Ik denk dat we een rekbare, buigbare batterij nodig hebben omdat mensen ze willen dragen, maar geen bulky batterijen willen voelen.

Een goed voorbeeld om te bedenken als eerste-generatie product is dat de polsband van de Apple Watch of Fitbit een batterij zou kunnen zijn. Ook willen sommige mensen misschien een hoofdband met een geïntegreerde biosensor dragen. Als het ook een batterij bevatte, kon de sensordata direct naar een app worden getransmitteerd. Veel biometrische informatie kon verkregen worden over de status van uw gezondheid door uw zweet en spuug te monitoren.

Dat zijn de heel spannende onderzoeksonderwerpen waar we nu aan werken. Kledingbedrijven zijn geïnteresseerd; en de defensie-industrie is geïnteresseerd omdat het leger hun mensen in topconditie wil. Als resultaat worden hun lichaamssignalen constant gemonitord, dus het hebben van stroomapparaten die zacht en flexibel zijn met hoog vermogen en hoge prestaties is echt belangrijk.

Tech Briefs: Ik zou denken dat het sensordeel niet zoveel vermogen nodig heeft, maar ik gok dat het transmissie van het signaal wel.

Meng: Dat klopt, de meeste sensoren hebben niet veel vermogen nodig, maar u hebt iets nodig om de signalen te lezen en ze te transmitteren naar een telefoon, of Bluetooth-apparaat, bijvoorbeeld. Natuurlijk zou u een hard-cased coin cell kunnen gebruiken, maar het apparaat zal niet erg cool ogen.

Tech Briefs: En zoals u zei, maakt het oncomfortabel omdat het stijf is. Wat voor capaciteit praten we in milliampere-uren? Hoe lang kan het draaien voordat u 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 lithium-batterij capaciteit.

Tech Briefs: Hoe zit het met de levensduur van uw batterij vs. lithium?

Meng: We doen twee of drie keer beter dan de operationele duur van een typische lithium-ion coin cell.

Tech Briefs: U zei dat normaal flexibele batterijen in steriele omstandigheden onder vacuüm geproduceerd moeten worden, maar de uwe niet. Hoe bereikt u dat?

Meng: We bleven weg van lithium-chemie. We gebruiken zink-gebaseerde batterijen, dus de ionen die getransporteerd worden zijn zink-ionen. Het is een benigne chemie die bij omgevingsomstandigheden geproduceerd kan worden. Dat stelt ons in staat schermprinten te gebruiken in plaats van een vacuüm-methode. Het is een methode die we overnamen van printbare biosensoren om onze flexibele batterijen massaal te produceren. De kostenreductie hier is zeer significant met dit type productieproces.

Tech Briefs: Heeft u gekeken naar het opschalen van het proces van het produceren van de inkt?

Meng: We hebben een grote industriële partner die dit met ons co-ontwikkelt. Voor de volgende fase overwegen ze de schaal. We hebben gesproken over 10en miljoenen in verkoop, gebaseerd op onze projecties van industriële vraag. Dus we hebben een heel steile leercurve — nu wordt de batterij handgemaakt door studenten in ons lab — we moeten het hele proces automatiseren inclusief het printen.

Tech Briefs: In de beschrijving die ik las, gaat het over een stroomcollector. Wat is dat?

Meng: De stroomcollectoren zijn positieve en negatieve tabs voor het verbinden met de output van de batterij. We denken dat we ze ook kunnen printen.

Tech Briefs: U zei dat de economie van het produceren ervan uiteindelijk erg goed zal zijn.

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

Tech Briefs: Hoe zou de vorm en grootte van uw batterij vergelijken met lithium-ion?

Meng: Onze vorm is eigenlijk custom-made nu. We hebben 2x2cm, 1x5, 2x5, en 3x3 gedaan. Dus we kunnen multidimensionale cellen maken en ze ook stapelen. In printen is het makkelijk om lagen te stapelen om de spanning op te bouwen. In principe met dezelfde oppervlakte, als ik multi-laag print, kan ik dezelfde energiedichtheid bereiken als coin cells maar nog steeds flexibiliteit hebben. Veel klanten willen een uitgezette vorm, u weet wel, zoals 1x5 voor een polsband.

Deze zitten allemaal in een ontwerp-spreadsheet. U kunt de energie die u nodig hebt invoeren, alsook printcondities. Dus bijvoorbeeld, als u een 5x5 patch energiebron ontwerpt, bij een bepaalde energiedichtheid, kunnen we het custom printen. Het printen is makkelijk aan te passen.

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

Meng: Volgende stap, we zullen de eerste-generatie niet-oplaadbare versie releasen. De tweede generatie zal oplaadbaar zijn voor 300 cycli. Voor die zal de energiedichtheid een beetje dalen, maar er zijn verschillende eisen voor oplaadbare batterijen. We hebben het gedemonstreerd in een kleine cel in het lab, maar nu moeten we het demonstreren in de daadwerkelijke geprinte cellen.

Ik denk dat de grootste knelpunt de schaal is. Van 10en cellen tot duizenden maken — dat is een heel kritieke stap.

Tech Briefs: Heeft u een idee van de timeline voor commercialisatie?

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

Het andere is de IoT voor gepersonaliseerde gezondheidsmonitoring. Vanuit mijn wetenschappersperspectief denk ik dat dit al had moeten gebeuren. Mensen zouden in staat moeten zijn om hun mobiele telefoons te gebruiken om direct bloedsuikerniveau te lezen, bijvoorbeeld. Voor Covid, zouden we in staat moeten zijn om zelf te monitoren. Maar ik zie dat in de toekomst de meeste dingen: infrastructuur, gebouwen, alles, getagd zullen worden met sensoren en batterijen.

Ik denk dat telehealth een heel belangrijk gebied is nu. We hebben het coronavirus, dus dit is een van onze grote drijfveren. Ik zei tegen mijn studenten dat het echt belangrijk is omdat ik denk dat het coronavirus lang, lang bij ons zal blijven, dus iedere persoon heeft een verantwoordelijkheid om hun eigen gezondheidsniveau te monitoren. Momenteel worden sensoren ontwikkeld, inclusief voor virusdetectie, die heel betrouwbare strombronnen nodig hebben.

Tech Briefs: En dan in staat zijn om deze informatie direct naar uw huisarts te transmitteren.

Meng: Ja, uw huisarts en ook volksgezondheidsfunctionarissen moeten weten of een persoon geïnfecteerd is. Niet om uw privacy te schenden, maar u moet dat doen om dingen onder controle te houden.

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