Baterai Cetak Fleksibel: Kepadatan Energi 10× dengan Sablon Standar

Baterai Cetak Fleksibel: Kepadatan Energi 10× dengan Sablon Standar

Professor Ying Shirley Meng dan timnya di UC San Diego telah mengembangkan prototipe baterai silver oxide-zinc fleksibel yang berfungsi yang memiliki kepadatan energi areal paling sedikit sepuluh kali lipat dari baterai lithium-ion tipikal. Baterai dapat diproduksi dengan teknologi sablon layar standar di lingkungan ruangan normal.

Tech Briefs: Bagaimana Anda mendapat ide untuk proyek ini?

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

Sekutu saya, Professor Joseph Wong, adalah orang elektronika cetak dan kami mulai berpikir bahwa kedua disiplin dapat bekerja sama untuk mencari tahu cara membuat baterai dengan bentuk apa pun dan rekat serta fleksibel. Kembangnya IoT khususnya memacu keinginan kami untuk mengembangkan teknologi seperti itu.

Tech Briefs: Saya penasara mengapa ada permintaan yang besar untuk baterai fleksibel, dapat dibengkokkan, dan rekat. Apa beberapa aplikasinya?

Meng: Dalam beberapa tahun terakhir, telah ada banyak aplikasi. Contohnya adalah Fitbit — ada banyak alat pemantau kesehatan. Banyak sensor, biosensor, sudah diterapkan dalam pakaian atau pada perangkat seluler, tetapi sebagian besar dalam bentuk rigid. Mereka dapat dikenakan, tetapi Anda sadar akan mengenakannya. Baterai seringkali adalah faktor pembatas. Saya pikir kita perlu baterai rekat dan dapat dibengkokkan karena orang ingin mengenakannya, tetapi tidak ingin merasa baterai yang membandel.

Contoh yang baik untuk dipikirkan sebagai produk generasi pertama adalah gelang jam tangan Apple Watch atau Fitbit bisa menjadi baterai. Juga, beberapa orang mungkin ingin mengenakan kepala dengan biosensor terintegrasi. Jika juga berisi baterai, data sensor dapat langsung ditransmisikan ke aplikasi. Banyak informasi biometrik dapat diperoleh tentang status kesehatan Anda dengan memantau keringat dan ludah Anda.

Itu adalah topik penelitian yang sangat menarik yang kami kerjakan saat ini. Perusahaan pakaian tertarik; dan industri pertahanan juga tertarik karena militer ingin orang mereka berada dalam kondisi terbaik. Akibatnya, sinyal tubuh mereka terus dipantau, jadi memiliki perangkat daya yang lembut dan fleksibel dengan daya tinggi dan performa tinggi sangat penting.

Tech Briefs: Saya pikir bagian sensor tidak perlu daya yang tinggi, tapi saya duga transmisi sinyal memerlukannya.

Meng: Itu benar, sebagian besar sensor tidak perlu daya tinggi, tapi Anda perlu sesuatu untuk membaca sinyal dan mentransmisikannya ke ponsel, atau perangkat Bluetooth, misalnya. Tentu saja, Anda dapat menggunakan baterai koin hard-cased, tetapi perangkat tidak akan terlihat sangat keren.

Tech Briefs: Dan seperti yang Anda katakan, itu membuatnya nyaman karena kaku. Kapasitas berapa yang Anda bicarakan dalam milliamp jam? Berapa lama bisa berjalan sebelum perlu diisi ulang?

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

Tech Briefs: Bagaimana umur baterai Anda vs. lithium?

Meng: Kami melakukan dua atau tiga kali lebih baik dari durasi operasi baterai koin lithium-ion tipikal.

Tech Briefs: Anda telah mengatakan bahwa biasanya, baterai fleksibel harus diproduksi dalam kondisi steril di bawah vakum, tetapi yang Anda miliki tidak. Bagaimana Anda bisa mencapai hal itu?

Meng: Kami menjauhi kimia lithium. Kami menggunakan baterai berbasis zinc, jadi ion yang ditransmisikan adalah ion zinc. Ini adalah kimia yang tidak berbahaya yang dapat diproduksi di kondisi ambient. Itu memungkinkan kami untuk menggunakan sablon layar daripada metode vakum. Ini adalah metode yang kami adot dari biosensor cetak untuk memproduksi baterai fleksibel kami secara massal. Pengurangan biaya di sini sangat signifikan dengan jenis proses manufaktur ini.

Tech Briefs: Apakah Anda telah melihat untuk menskalakan proses produksi tinta?

Meng: Kami memiliki mitra industri besar yang mengembangkan ini bersama kami. Jadi, untuk tahap berikutnya, mereka mempertimbangkan penskalan. Kami telah berbicara tentang puluhan juta dalam penjualan, berdasarkan proyeksi kami tentang permintaan industri. Jadi, kami memiliki kurva pembelajaran yang sangat curam — saat ini baterai sedang dibuat secara manual oleh mahasiswa di laboratorium kami — kami perlu mengotomatisasi seluruh proses termasuk pencetakan.

Tech Briefs: Dalam deskripsi yang saya baca, ada pembicaraan tentang current collector. Apa itu?

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

Tech Briefs: Anda mengatakan bahwa ekonomis produksinya akan sangat baik pada akhirnya.

Meng: Kejutan satu-satunya yang kami miliki adalah harga perak. Tetapi baterai ini akan didaur ulang, jadi kami berharap perak yang digunakan akan akhirnya menjadi loop tertutup. Kami dapat daur ulang lebih dari 90% semua bahan, terutama silver oxide pada katoda. Kami melakukan pekerjaan lanjutan tentang skalabilitas dan analisis teknokonomi dari kimia ini.

Tech Briefs: Bagaimana bentuk dan ukuran baterai Anda dibandingkan dengan lithium-ion?

Meng: Bentuk kami sebenarnya dibuat custom saat ini. Kami telah melakukan 2 x 2cm, 1 x 5, 2 x 5, dan 3 x 3. Jadi, kami dapat membuat sel multidimensi dan kemudian dapat juga menumpuknya. Dalam pencetakan, mudah untuk menumpuk lapisan untuk membangun tegangan. Dalam prinsip dengan area yang sama, jika saya melakukan pencetakan multilayer, saya dapat mencapai kepadatan energi yang sama dengan baterai koin tetapi masih memiliki fleksibilitas. Banyak pelanggan ingin bentuk yang panjang, Anda tahu, seperti 1 x 5 untuk gelang.

Semua ini ada dalam spreadsheet desain. Anda dapat memasukkan energi yang Anda butuhkan, serta kondisi pencetakan. Jadi, misalnya, jika Anda merancang sumber energi patch 5 x 5, pada tingkat kepadatan energi tertentu, kami dapat mencetaknya secara custom. Pencetakan mudah disesuaikan.

Tech Briefs: Apa langkah selanjutnya dalam penelitian Anda?

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

Saya pikir hambatan utama adalah penskalan. Dari 10an sel menjadi ribuan — itu adalah langkah yang sangat kritis.

Tech Briefs: Apakah Anda punya ide tentang timeline untuk mengkomersialisasikannya?

Meng: Kami berharap produk akan siap dalam sekitar dua tahun. Sejauh permintaan berkaitan, itu cukup terikat dengan pertumbuhan IoT, misalnya, kendaraan otonom. Mobil harus berbicara dengan segalanya, kan? Pejalan kaki, pohon, gedung, semuanya perlu berkomunikasi sehingga Anda tahu di mana segalanya. Saya akan memprediksi itu seharusnya sudah terjadi, tapi Anda tahu hal-hal itu belum terjadi.

Hal lain adalah IoT untuk pemantau kesehatan pribadi. Dari perspektif ilmuwan saya, saya pikir ini seharusnya sudah terjadi. Orang harus dapat menggunakan ponsel mereka untuk segera membaca tingkat gula darah, misalnya. Untuk Covid, kita harus dapat memantau sendiri. Tapi saya lihat di masa depan sebagian besar hal: infrastruktur, gedung, segalanya, akan ditandai dengan sensor dan baterai.

Saya pikir telehealth adalah area yang sangat penting sekarang. Kami memiliki coronavirus, jadi ini adalah salah satu kekuatan penggerak utama kami. Saya mengatakan kepada mahasiswa saya itu sangat penting karena saya pikir coronavirus 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 deteksi virus, yang memerlukan sumber daya yang sangat andal.

Tech Briefs: Dan kemudian dapat mentransmisikan informasi ini langsung ke dokter Anda.

Meng: Ya, dokter Anda dan juga pejabat kesehatan masyarakat perlu tahu jika seseorang terinfeksi. Tidak untuk menembus privasi Anda, tetapi Anda perlu melakukan itu untuk menjaga hal-hal tetap terkendali.

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