Fragen und Antworten:Druckbare flexible Batterien

Professorin Ying Shirley Meng und ihr Team an der UC San Diego haben einen funktionsfähigen Prototypen einer flexiblen Silberoxid-Zink-Batterie entwickelt, die mindestens die zehnfache Flächenenergiedichte einer typischen Lithium-Ionen-Batterie aufweist. Es kann mit Standard-Siebdrucktechnologie in einer normalen Raumumgebung hergestellt werden.

Tech Briefs:Wie sind Sie auf die Idee zu diesem Projekt gekommen?

Meng: Ich habe seit 2008 eine unabhängige Gruppe, die sich mit Lithium-Ionen-Batterien beschäftigt. Einige Leute, die Batterien verwenden, begannen zu fragen, ob wir flexible, dehnbare Hochenergiebatterien herstellen könnten. Es gab schon immer eine Nachfrage nach Anwendungen, bei denen Lithium-Ionen schwierig zu verwenden wären. Und es gab schon immer Probleme mit der Lithium-Ionen-Chemie.

Mein Kollege, Professor Joseph Wong, ist ein Experte für druckbare Elektronik, und wir begannen zu denken, dass die beiden Disziplinen zusammenarbeiten könnten, um herauszufinden, wie man Batterien jeder Form herstellen kann, die dehnbar und flexibel sind. Der Aufstieg des IoT hat unseren Wunsch, eine solche Technologie zu entwickeln, besonders verstärkt.

Tech Briefs:Ich bin neugierig, warum es eine so große Nachfrage nach flexiblen, biegbaren und dehnbaren Batterien gibt. Welche Anwendungen gibt es?

Meng: In den letzten Jahren gab es einige Bewerbungen. Ein Beispiel ist Fitbit – es gibt viele Gesundheitsüberwachungsgeräte. Viele Sensoren, Biosensoren, sind bereits in Kleidung oder auf mobilen Geräten implementiert, aber meist in starrer Form. Sie sind tragbar, aber Sie tragen sie bewusst. Die Batterien sind oft der limitierende Faktor. Ich denke, wir brauchen einen dehnbaren, biegsamen Akku, weil die Leute ihn tragen wollen, aber keine sperrigen Akkus spüren wollen.

Ein gutes Beispiel für ein Produkt der ersten Generation ist, dass das Armband der Apple Watch oder Fitbit eine Batterie sein könnte. Einige Leute möchten vielleicht auch ein Stirnband mit integriertem Biosensor tragen. Wenn darin auch eine Batterie enthalten wäre, könnten die Sensordaten direkt an eine App übermittelt werden. Durch die Überwachung von Schweiß und Speichel können viele biometrische Informationen über Ihren Gesundheitszustand gewonnen werden.

Das sind die sehr spannenden Forschungsthemen, an denen wir gerade arbeiten. Bekleidungsfirmen sind interessiert; und die Verteidigungsindustrie ist interessiert, weil das Militär will, dass seine Leute in Topform sind. Infolgedessen werden ihre Körpersignale ständig überwacht, daher ist es wirklich wichtig, Power-Geräte zu haben, die weich und flexibel mit hoher Leistung und hoher Leistung sind.

Technische Erläuterungen:Ich würde denken, dass der Sensorteil keine so hohe Leistung benötigt, aber ich denke, die Übertragung des Signals tut es.

Meng: Richtig, die meisten Sensoren brauchen keine hohe Leistung, aber Sie brauchen etwas, um die Signale zu lesen und sie beispielsweise an ein Telefon oder Bluetooth-Gerät zu übertragen. Natürlich könnten Sie auch eine Knopfzelle mit Hartschalen verwenden, aber das Gerät wird nicht sehr cool aussehen.

Tech Briefs:Und wie Sie sagten, ist es unbequem, weil es steif ist. Von welcher Kapazität in Milliamperestunden sprichst du? Wie lange kann es laufen, bevor Sie es aufladen müssen?

Meng: Unsere derzeitige Batterie, die nicht wiederaufladbar ist, hat eine Kapazität von etwa 100 mW-Stunden pro Quadratzentimeter. Sie ist ein paar Mal höher als die Kapazität von Lithiumbatterien.

Technische Informationen:Wie sieht es mit der Lebensdauer Ihres Akkus im Vergleich zu Lithium aus?

Meng: Wir schneiden zwei- oder dreimal besser ab als die Betriebsdauer einer typischen Lithium-Ionen-Knopfzelle.

Tech Briefs:Sie haben gesagt, dass normalerweise flexible Batterien unter Vakuumbedingungen steril hergestellt werden müssen, Ihre jedoch nicht. Wie können Sie das erreichen?

Meng: Von der Lithiumchemie hielten wir uns fern. Wir verwenden Batterien auf Zinkbasis, daher sind die transportierten Ionen Zinkionen. Es ist eine gutartige Chemie, die bei Umgebungsbedingungen hergestellt werden kann. Dadurch können wir Siebdruck anstelle eines Vakuumverfahrens verwenden. Es ist eine Methode, die wir von druckbaren Biosensoren übernommen haben, um unsere flexiblen Batterien in Massenproduktion herzustellen. Die Kostenreduzierung hier ist bei dieser Art von Herstellungsprozess sehr signifikant.

Tech Briefs:Haben Sie sich mit der Skalierung des Prozesses zur Herstellung der Tinte befasst?

Meng: Wir haben einen großen Industriepartner, der dies gemeinsam mit uns entwickelt. Für die nächste Stufe erwägen sie also die Skalierung. Wir haben von Verkäufen in Höhe von 10 Millionen gesprochen, basierend auf unseren Prognosen für die Nachfrage der Branche. Wir haben also eine sehr steile Lernkurve – im Moment wird die Batterie von Studenten in unserem Labor handgefertigt – wir müssen den gesamten Prozess einschließlich des Druckens automatisieren.

Tech Briefs:In der Beschreibung, die ich gelesen habe, wird von einem Stromabnehmer gesprochen. Was ist das?

Meng: Die Stromkollektoren sind positive und negative Laschen zum Anschluss an den Ausgang der Batterie. Wir denken, dass wir sie auch drucken können.

Technische Informationen: Sie sagten, dass die Wirtschaftlichkeit der Herstellung letztendlich sehr gut sein wird.

Meng: Die einzige Sorge, die wir haben, ist der Silberpreis. Aber diese Batterien werden recycelt, also hoffen wir, dass das verwendete Silber irgendwann einen geschlossenen Kreislauf bilden wird. Wir können alle Materialien zu mehr als 90 % recyceln, insbesondere das Silberoxid auf der Kathode. Wir führen Nachfolgearbeiten zur Skalierbarkeit und zur techno-ökonomischen Analyse dieser Chemie durch.

Technische Informationen: Wie würde die Form und Größe Ihres Akkus im Vergleich zu Lithium-Ionen aussehen?

Meng: Unsere Form ist derzeit tatsächlich maßgefertigt. Wir haben 2 x 2 cm, 1 x 5, 2 x 5 und 3 x 3 cm gemacht. Wir können also mehrdimensionale Zellen herstellen und sie dann auch stapeln. Beim Drucken ist es einfach, Schichten zu stapeln, um die Spannung aufzubauen. Im Prinzip kann ich mit der gleichen Fläche, wenn ich mehrschichtig drucke, die gleiche Energiedichte wie Knopfzellen erreichen, habe aber immer noch Flexibilität. Viele Kunden wünschen eine längliche Form, wissen Sie, wie 1 x 5 für ein Armband.

Diese befinden sich alle in einer Designtabelle. Sie können die benötigte Energie sowie die Druckbedingungen einstecken. Wenn Sie also beispielsweise eine 5 x 5-Patch-Energiequelle mit einer bestimmten Energiedichte entwerfen, können wir sie kundenspezifisch drucken. Der Druck ist einfach anzupassen.

Tech Briefs:Was sind die nächsten Schritte in Ihrer Forschung?

Meng: Als nächstes werden wir die nicht wiederaufladbare Version der ersten Generation veröffentlichen. Die zweite Generation wird für 300 Zyklen wiederaufladbar sein. für diese wird die Energiedichte etwas sinken, aber es gibt andere Anforderungen an wiederaufladbare Batterien. Wir haben es in einer kleinen Zelle im Labor demonstriert, aber jetzt müssen wir es in den tatsächlich gedruckten Zellen demonstrieren.

Ich denke, der größte Engpass ist die Skalierung. Von 10 Zellen zu Tausenden – das ist ein sehr wichtiger Schritt.

Technische Informationen: Haben Sie eine Vorstellung vom Zeitplan für die Kommerzialisierung?

Meng: Wir hoffen, dass das Produkt in etwa zwei Jahren fertig sein wird. Was die Nachfrage anbelangt, so hängt das in gewisser Weise mit dem Wachstum des IoT zusammen, zum Beispiel autonome Fahrzeuge. Das Auto muss mit allem sprechen, oder? Fußgänger, Bäume, Gebäude, alles muss kommuniziert werden, damit Sie wissen, wo sich alles befindet. Ich hätte vorhergesagt, dass es bereits hätte passieren sollen, aber Sie wissen, dass diese Dinge noch nicht passiert sind.

Die andere Sache ist das IoT für die personalisierte Gesundheitsüberwachung. Aus meiner wissenschaftlichen Perspektive denke ich, dass dies bereits hätte passieren müssen. Die Menschen sollen mit ihrem Handy zum Beispiel sofort den Blutzuckerspiegel ablesen können. Für Covid sollten wir in der Lage sein, uns selbst zu überwachen. Aber ich sehe, dass in Zukunft die meisten Dinge:Infrastruktur, Gebäude, alles, mit Sensoren und Batterien gekennzeichnet sein werden.

Ich denke, Telemedizin ist jetzt ein wirklich wichtiger Bereich. Wir haben das Coronavirus, also ist dies eine unserer Hauptantriebskräfte. Ich habe meinen Schülern gesagt, dass es wirklich wichtig ist, weil ich denke, dass das Coronavirus uns noch lange, lange Zeit begleiten wird, sodass jede Person dafür verantwortlich ist, ihren eigenen Gesundheitszustand zu überwachen. Derzeit werden Sensoren entwickelt, auch für die Virenerkennung, die sehr zuverlässige Stromquellen benötigen.

Technische Informationen: Und dann können Sie diese Informationen direkt an Ihren Arzt übermitteln.

Meng: Ja, Ihr Arzt und auch die Gesundheitsbehörden müssen wissen, ob eine Person infiziert ist. Nicht um in Ihre Privatsphäre einzudringen, aber Sie müssen das tun, um die Dinge unter Kontrolle zu halten.

Eine bearbeitete Version dieses Interviews erschien in der März-Ausgabe 2021 der Tech Briefs.