Flexible Druckbare Batterien: 10-fache Energiedichte mit Standard-Siebdruck

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

Tech Briefs: Wie kamen Sie auf die Idee für dieses Projekt?

Meng: Ich habe seit 2008 eine unabhängige Gruppe, die an Lithium-Ionen-Batterien arbeitet. Einige Batterienutzer fragten, ob wir flexible, dehnbare, hochenergetische Batterien herstellen könnten. Es gab immer Bedarf für Anwendungen, in denen Lithium-Ionen schwer einzusetzen sind. Und es gab immer Probleme mit der Lithium-Ionen-Chemie.

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

Tech Briefs: Ich bin neugierig, warum es so eine große Nachfrage nach flexiblen, biegbaren, dehnbaren Batterien gibt. Was sind einige der Anwendungen?

Meng: In den letzten Jahren gab es 꽤 einige Anwendungen. Ein Beispiel ist Fitbit – es gibt viele Gesundheitsüberwachungsgeräte. Viele Sensoren, Biosensoren, sind bereits in Kleidung oder mobilen Geräten implementiert, aber sie sind meist in starrer Form. Sie sind tragbar, aber man ist sich dessen bewusst, sie zu tragen. Die Batterien sind oft der limitierende Faktor. Ich denke, wir brauchen eine dehnbare, biegbare Batterie, weil Menschen sie tragen wollen, aber keine sperrigen Batterien spüren möchten.

Ein gutes Beispiel für ein First-Generation-Produkt ist, dass das Armband der Apple Watch oder des Fitbit eine Batterie sein könnte. Auch möchten manche Menschen vielleicht ein Stirnband mit integriertem Biosensor tragen. Wenn es auch eine Batterie enthielte, könnten die Sensordaten direkt an eine App übertragen werden. Viele biometrische Informationen über den Gesundheitsstatus könnten durch Überwachung von Schweiß und Speichel gewonnen werden.

Das sind die sehr spannenden Forschungsthemen, an denen wir jetzt arbeiten. Bekleidungsunternehmen sind interessiert; und die Verteidigungsindustrie ist interessiert, weil das Militär möchte, dass ihre Leute in Topform sind. Daher werden ihre Körpersignale ständig überwacht, sodass leistungsstarke, weiche und flexible Energiegeräte mit hoher Leistung wirklich wichtig sind.

Tech Briefs: Ich würde denken, dass der Sensorteil nicht so hohe Leistung braucht, aber ich schätze, die Signalübertragung schon.

Meng: Das stimmt, die meisten Sensoren brauchen keine hohe Leistung, aber man braucht etwas, um die Signale auszulesen und an ein Telefon oder Bluetooth-Gerät zu übertragen. Natürlich könnte man eine harte Knopfzelle verwenden, aber das Gerät würde nicht sehr cool aussehen.

Tech Briefs: Und wie Sie sagten, macht es unbequem, weil es steif ist. Welche Kapazität sprechen Sie in Milliamperestunden an? Wie lange kann es laufen, bevor es wieder aufgeladen werden muss?

Meng: Unsere aktuelle Batterie, die nicht wiederaufladbar ist, hat eine Kapazität von etwa 100 mWh pro Quadratzentimeter. Das ist ein paar Mal höher als die Kapazität einer Lithium-Batterie.

Tech Briefs: Wie sieht es mit der Lebensdauer Ihrer Batterie im Vergleich zu Lithium aus?

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

Tech Briefs: Sie sagten, normalerweise müssen flexible Batterien unter sterilen Bedingungen im Vakuum hergestellt werden, aber Ihre nicht. Wie erreichen Sie das?

Meng: Wir sind von der Lithium-Chemie weggeblieben. Wir verwenden zinkbasierte Batterien, sodass die transportierten Ionen Zink-Ionen sind. Es ist eine unbedenkliche Chemie, die unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden kann. Das ermöglicht uns Siebdruck statt Vakuumverfahren. Es ist eine Methode, die wir von druckbaren Biosensoren übernommen haben, um unsere flexiblen Batterien in Massenproduktion herzustellen. Die Kostensenkung hier ist mit diesem Herstellungsprozess sehr signifikant.

Tech Briefs: Haben Sie untersucht, den Prozess der Tintenherstellung zu skalieren?

Meng: Wir haben einen großen Industriepartner, der dies mit uns co-entwickelt. Für die nächste Phase erwägen sie die Skalierung. Wir haben über Zehner Millionen Umsatz gesprochen, basierend auf unseren Projektionen der Industriennachfrage. Wir haben also eine sehr steile Lernkurve – derzeit wird die Batterie von Studenten in unserem Labor handgefertigt – wir müssen den gesamten Prozess einschließlich des Druckens automatisieren.

Tech Briefs: In der Beschreibung las ich von einem Stromabnehmer. Was ist das?

Meng: Die Stromabnehmer sind positive und negative Tabs für den Anschluss an den Batterieausgang. Wir glauben, wir werden sie auch drucken können.

Tech Briefs: Sie sagten, die Ökonomie der Herstellung wird letztendlich sehr gut sein.

Meng: Die einzige Sorge ist der Silberpreis. Aber diese Batterien werden recycelt, also hoffen wir, dass das verwendete Silber schließlich ein geschlossener Kreislauf wird. Wir können mehr als 90 % aller Materialien recyceln, insbesondere das Silberoxid auf der Kathode. Wir arbeiten an Follow-up-Arbeiten zur Skalierbarkeit und techno-ökonomischen Analyse dieser Chemie.

Tech Briefs: Wie würden Form und Größe Ihrer Batterie im Vergleich zu Lithium-Ionen aussehen?

Meng: Unsere Form ist derzeit tatsächlich maßgefertigt. Wir haben 2x2 cm, 1x5, 2x5 und 3x3 gemacht. Wir können also multidimensionale Zellen herstellen und sie auch stapeln. Im Drucken ist es einfach, Schichten zu stapeln, um die Spannung aufzubauen. Prinzipiell kann ich bei gleicher Fläche, wenn ich Multi-Layer-Druck mache, die gleiche Energiedichte wie Knopfzellen erreichen, aber trotzdem Flexibilität behalten. Viele Kunden wollen eine langgestreckte Form, wie 1x5 für ein Armband.

Das alles ist in einem Design-Spreadsheet. Sie können die benötigte Energie sowie Druckbedingungen eingeben. Wenn Sie also eine 5x5-Patch-Energiequelle bei einer bestimmten Energiedichte designen, können wir sie maßgeschneidert drucken. Der Druck ist einfach anzupassen.

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

Meng: Als Nächstes werden wir die erste Generation der nicht-wiederaufladbaren Version veröffentlichen. Die zweite Generation wird für 300 Zyklen wiederaufladbar sein. Bei denen wird die Energiedichte etwas sinken, aber es gibt unterschiedliche Anforderungen an wiederaufladbare Batterien. Wir haben es in einer kleinen Zelle im Labor demonstriert, aber jetzt müssen wir es in den tatsächlichen gedruckten Zellen demonstrieren.

Ich denke, der Hauptflaschenhals ist die Skalierung. Von Zehner Zellen auf Tausende herzustellen – das ist ein sehr kritischer Schritt.

Tech Briefs: Haben Sie eine Vorstellung vom Zeitplan für die Kommerzialisierung?

Meng: Wir hoffen, dass das Produkt in etwa zwei Jahren bereit sein wird. Was die Nachfrage betrifft, ist diese etwas an das Wachstum des IoT gekoppelt, beispielsweise autonome Fahrzeuge. Das Auto muss mit allem sprechen, oder? Fußgänger, Bäume, Gebäude, alles muss kommuniziert werden, damit man weiß, wo alles ist. Ich hätte vorhergesagt, es sollte schon passiert sein, aber Sie wissen, diese Dinge sind noch nicht passiert.

Das andere ist IoT für personalisierte Gesundheitsüberwachung. Aus meiner Wissenschaftler-Perspektive denke ich, das sollte schon passiert sein. Menschen sollten in der Lage sein, ihre Handys zu nutzen, um sofort Blutzuckerwerte zu lesen, zum Beispiel. Bei 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 getaggt sein werden.

Ich denke, Telemedizin ist jetzt ein wirklich wichtiger Bereich. Wir haben das Coronavirus, also ist dies eine unserer Haupttreibkräfte. Ich sagte meinen Studenten, es ist wirklich wichtig, weil ich denke, das Coronavirus wird sehr, sehr lange bei uns bleiben, also hat jeder Person die Verantwortung, ihren eigenen Gesundheitszustand zu überwachen. Derzeit werden Sensoren entwickelt, einschließlich für Viruserkennung, die sehr zuverlässige Energiequellen brauchen.

Tech Briefs: Und dann in der Lage sein, diese Informationen direkt an Ihren Arzt zu übermitteln.

Meng: Ja, Ihr Arzt und auch öffentliche Gesundheitsbeamte müssen wissen, ob eine Person infiziert ist. Nicht um Ihre Privatsphäre zu verletzen, aber man muss das tun, um Dinge unter Kontrolle zu halten.

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