T&J:Baterai Fleksibel yang Dapat Dicetak

Profesor Ying Shirley Meng dan timnya di UC San Diego telah mengembangkan prototipe kerja baterai seng oksida perak fleksibel yang memiliki setidaknya sepuluh kali kerapatan energi area baterai lithium-ion biasa. Itu dapat diproduksi dengan teknologi sablon standar di lingkungan ruangan normal.

Ikhtisar Teknologi:Bagaimana Anda mendapatkan ide untuk proyek ini?

Meng: Saya memiliki grup independen sejak 2008 yang mengerjakan baterai lithium-ion. Beberapa orang yang menggunakan baterai mulai bertanya apakah kami dapat membuat baterai yang fleksibel, dapat diregangkan, dan berenergi tinggi. Selalu ada permintaan untuk aplikasi di mana lithium-ion akan sulit digunakan. Dan selalu ada masalah yang berkaitan dengan kimia lithium-ion.

Rekan saya, Profesor Joseph Wong, adalah ahli elektronik yang dapat dicetak dan kami mulai berpikir bahwa kedua disiplin ilmu dapat bekerja sama untuk menemukan cara membuat baterai dalam bentuk apa pun dan dapat diregangkan dan fleksibel. Munculnya IoT secara khusus memicu keinginan kami untuk mengembangkan teknologi semacam itu.

Ikhtisar Teknologi:Saya ingin tahu mengapa ada permintaan yang begitu besar akan baterai fleksibel dan dapat ditekuk. Apa saja aplikasinya?

Meng: Dalam beberapa tahun terakhir, ada beberapa aplikasi. Salah satu contohnya adalah Fitbit — ada banyak perangkat pemantau kesehatan. Banyak sensor, biosensor, sudah diterapkan di pakaian atau di perangkat seluler, tetapi kebanyakan dalam bentuk kaku. Mereka dapat dikenakan, tetapi Anda sadar untuk memakainya. Baterai sering menjadi faktor pembatas. Saya pikir kita membutuhkan baterai yang dapat diregangkan dan ditekuk karena orang ingin memakainya, tetapi tidak ingin merasakan baterai yang besar.

Salah satu contoh yang baik untuk dipikirkan sebagai produk generasi pertama adalah bahwa gelang pada Apple Watch atau Fitbit dapat berupa baterai. Juga, beberapa orang mungkin ingin memakai ikat kepala dengan biosensor terintegrasi. Jika juga berisi baterai, data sensor dapat langsung dikirimkan ke aplikasi. Banyak informasi biometrik yang dapat diperoleh tentang status kesehatan Anda dengan memantau keringat dan air liur Anda.

Itu adalah topik penelitian yang sangat menarik yang sedang kami kerjakan sekarang. Perusahaan pakaian tertarik; dan industri pertahanan tertarik karena militer ingin rakyatnya dalam kondisi prima. Akibatnya, sinyal tubuh mereka terus dipantau, sehingga memiliki perangkat daya yang lembut dan fleksibel dengan daya tinggi, dan kinerja tinggi sangat penting.

Ikhtisar Teknis:Menurut saya, bagian sensor tidak memerlukan daya setinggi itu, tapi saya rasa transmisi sinyal membutuhkannya.

Meng: Itu benar, sebagian besar sensor tidak memerlukan daya tinggi, tetapi Anda memerlukan sesuatu untuk membaca sinyal dan mengirimkannya ke telepon, atau perangkat Bluetooth, misalnya. Tentu saja, Anda dapat menggunakan sel koin dengan casing keras, tetapi perangkat tersebut tidak akan terlihat keren.

Ikhtisar Teknologi:Dan seperti yang Anda katakan, itu membuatnya tidak nyaman karena kaku. Kapasitas seperti apa yang Anda bicarakan dalam miliamp jam? Berapa lama itu bisa berjalan sebelum Anda perlu mengisi ulang?

Meng: Baterai kami saat ini, yang tidak dapat diisi ulang, memiliki kapasitas sekitar 100 mW-jam per sentimeter persegi. Ini beberapa kali lebih tinggi dari kapasitas baterai lithium.

Ikhtisar Teknologi:Bagaimana dengan masa pakai baterai Anda vs. litium?

Meng: Kami melakukan dua atau tiga kali lebih baik daripada durasi pengoperasian sel koin lithium-ion biasa.

Ikhtisar Teknologi:Anda telah mengatakan bahwa biasanya, baterai fleksibel harus diproduksi dalam kondisi steril di bawah vakum, tetapi baterai Anda tidak. Bagaimana Anda bisa mencapainya?

Meng: Kami menjauh dari kimia lithium. Kami menggunakan baterai berbasis seng, jadi ion yang diangkut adalah ion seng. Ini adalah kimia jinak yang dapat diproduksi pada kondisi sekitar. Itu memungkinkan kita untuk menggunakan sablon daripada metode vakum. Ini adalah metode yang kami adopsi dari biosensor yang dapat dicetak untuk memproduksi baterai fleksibel kami secara massal. Pengurangan biaya di sini sangat signifikan dengan jenis proses manufaktur ini.

Ikhtisar Teknis:Sudahkah Anda melihat ke dalam skala proses produksi tinta?

Meng: Kami memiliki mitra industri utama yang ikut mengembangkan ini bersama kami. Jadi, untuk tahap selanjutnya, mereka sedang mempertimbangkan penskalaan. Kami telah berbicara tentang 10-an juta dalam penjualan, berdasarkan proyeksi permintaan industri kami. Jadi, kami memiliki kurva pembelajaran yang sangat curam — saat ini baterai sedang dibuat oleh siswa di lab kami — kami perlu mengotomatiskan seluruh proses termasuk pencetakan.

Ikhtisar Teknologi:Dalam deskripsi yang saya baca, membahas tentang kolektor saat ini. Apa itu?

Meng: Kolektor saat ini adalah tab positif dan negatif untuk menghubungkan ke output baterai. Kami pikir kami juga akan dapat mencetaknya.

Ringkasan Teknologi: Anda mengatakan bahwa ekonomi dalam memproduksinya pada akhirnya akan sangat baik.

Meng: Satu-satunya kekhawatiran yang kita miliki adalah harga perak. Tetapi baterai ini akan didaur ulang, jadi kami berharap perak yang digunakan pada akhirnya akan menjadi loop tertutup. Kami dapat lebih dari 90% mendaur ulang semua bahan, terutama oksida perak pada katoda. Kami sedang melakukan pekerjaan lanjutan pada skalabilitas dan analisis tekno-ekonomi kimia ini.

Ringkasan Teknologi: Bagaimana bentuk dan ukuran baterai Anda dibandingkan dengan lithium-ion?

Meng: Bentuk kami sebenarnya dibuat khusus sekarang. Kita telah mengerjakan 2 x 2cm, 1 x 5, 2 x 5, dan 3 x 3. Jadi, kita dapat membuat sel multidimensi dan kemudian juga dapat menumpuknya. Dalam pencetakan, mudah untuk menumpuk lapisan untuk membangun tegangan. Pada prinsipnya dengan area yang sama, jika saya melakukan pencetakan multi-layer, saya dapat mencapai kepadatan energi yang sama seperti sel koin tetapi masih memiliki fleksibilitas. Banyak pelanggan menginginkan bentuk yang memanjang lho, seperti 1 x 5 untuk gelang.

Ini semua dalam spreadsheet desain. Anda dapat mencolokkan energi yang Anda butuhkan, serta kondisi cetak. Jadi, misalnya, jika Anda mendesain sumber energi patch 5 x 5, pada kepadatan energi tertentu, kami dapat mencetaknya secara khusus. Pencetakan mudah disesuaikan.

Ikhtisar Teknologi:Apa langkah selanjutnya dalam penelitian Anda?

Meng: Selanjutnya, kami akan merilis versi non-isi ulang generasi pertama. Generasi kedua akan dapat diisi ulang selama 300 siklus. untuk itu, kepadatan energi akan turun sedikit, tetapi ada persyaratan berbeda untuk baterai isi ulang. Kami telah mendemonstrasikannya di sel kecil di lab, tetapi sekarang kami perlu mendemonstrasikannya di sel tercetak yang sebenarnya.

Saya pikir hambatan utama adalah penskalaan. Dari 10-an sel menjadi ribuan — itu langkah yang sangat penting.

Ringkasan Teknologi: Apakah Anda memiliki gagasan tentang garis waktu untuk mengkomersialkannya?

Meng: Kami berharap bahwa produk akan siap dalam waktu sekitar dua tahun. Sejauh menyangkut permintaan, itu agak terkait dengan pertumbuhan IoT, misalnya, kendaraan otonom. Mobil harus berbicara dengan segalanya, bukan? Pejalan kaki, pohon, bangunan, semuanya perlu dikomunikasikan sehingga Anda tahu di mana semuanya. Saya akan memperkirakan itu seharusnya sudah terjadi, tetapi Anda tahu hal-hal itu belum terjadi.

Hal lainnya adalah IoT untuk pemantauan kesehatan yang dipersonalisasi. Dari sudut pandang ilmuwan saya, saya pikir ini seharusnya sudah terjadi. Orang harus bisa menggunakan ponselnya untuk segera membaca kadar gula darah, misalnya. Untuk Covid, kita harus bisa memonitor diri sendiri. Tapi saya melihat bahwa di masa depan sebagian besar hal:infrastruktur, bangunan, semuanya, akan ditandai dengan sensor dan baterai.

Saya pikir telehealth adalah area yang sangat penting sekarang. Kami memiliki virus corona, jadi ini adalah salah satu kekuatan pendorong utama kami. Saya memberi tahu siswa saya bahwa ini sangat penting karena saya pikir virus corona akan bersama kita untuk waktu yang sangat lama, jadi setiap orang memiliki tanggung jawab untuk memantau tingkat kesehatan mereka sendiri. Saat ini sensor sedang dikembangkan, termasuk untuk pendeteksian virus, yang membutuhkan sumber daya yang sangat andal.

Ringkasan Teknologi: Dan kemudian dapat mengirimkan informasi ini langsung ke dokter Anda.

Meng: Ya, dokter Anda dan juga pejabat kesehatan masyarakat perlu mengetahui apakah seseorang terinfeksi. Bukan untuk mengganggu privasi Anda, tetapi Anda perlu melakukannya untuk menjaga semuanya tetap terkendali.

Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di Tech Briefs edisi Maret 2021.