Команда, состоящая из исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего и калифорнийской компании ZPower, подробно рассказала о своих выводах в декабре. 7 выпуск журнала Джоуль.
«Наши батареи могут быть спроектированы на основе электроники, вместо того, чтобы разрабатывать электронику на основе батарей», – сказал Лу Инь, один из соавторов статьи и доктор философии.D. студент исследовательской группы профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Джозефа Ванга.
Емкость этой инновационной батареи составляет 50 миллиампер на квадратный сантиметр при комнатной температуре – это в 10-20 раз больше, чем емкость типичной ионно-литиевой батареи. Таким образом, при той же площади поверхности батарея, описанная в Джоулях, может обеспечить в 5-10 раз большую мощность.
«Такой площади никогда не было», – сказал Инь. «И наш метод производства доступен и масштабируем."
Новый аккумулятор имеет большую емкость, чем любой из гибких аккумуляторов, доступных в настоящее время на рынке.
Это потому, что батарея имеет гораздо более низкий импеданс – сопротивление электрической цепи или устройства переменному току. Чем ниже импеданс, тем лучше характеристики батареи против сильноточного разряда.
«Поскольку рынок 5G и Интернета вещей (IoT) быстро растет, эта батарея, которая превосходит коммерческие продукты в сильноточных беспроводных устройствах, вероятно, станет основным конкурентом в качестве источника питания следующего поколения для бытовой электроники», – сказал Джонатан Шарф, соавтор газеты. первый автор и доктор.D. кандидат в исследовательскую группу профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ин Ширли Мэн.
Аккумуляторы успешно питают гибкую систему отображения, оснащенную микроконтроллером и модулями Bluetooth.
И здесь батарея показала лучшие характеристики, чем имеющиеся в продаже литий-ионные батарейки.
Напечатанные аккумуляторные элементы заряжались более 80 циклов, без каких-либо серьезных признаков потери емкости.
Клетки также оставались функциональными, несмотря на многократные изгибы и скручивания.
«Наша основная задача заключалась в улучшении как характеристик батарей, так и производственного процесса», – сказала Ин Ширли Мэн, директор Института исследования материалов и дизайна Калифорнийского университета в Сан-Диего и один из авторов статьи.
Для создания батареи исследователи использовали запатентованную конструкцию катода и химию от ZPower. Ван и его команда поделились своим опытом в области печатных растягиваемых датчиков и растягиваемых аккумуляторов. Мэн и ее коллеги поделились своим опытом в области расширенных характеристик для электрохимических систем хранения энергии и охарактеризовали каждую итерацию прототипа батареи, пока она не достигла максимальной производительности.
Рецепт повышения производительности
Исключительная плотность энергии батареи обусловлена химическим составом оксида серебра и цинка (AgO-Zn). В большинстве коммерческих гибких батарей используется химический состав Ag2O-Zn. В результате они обычно имеют ограниченный срок службы и малую производительность.
Это ограничивает их использование одноразовой электроникой с низким энергопотреблением.
AgO традиционно считается нестабильным. Но материал катода AgO компании ZPower основан на запатентованном покрытии оксида свинца для улучшения электрохимической стабильности и проводимости AgO.
В качестве дополнительного преимущества химический состав AgO-Zn отвечает за низкий импеданс батареи. Печатные токосъемники батареи также обладают отличной проводимостью, что также помогает достичь более низкого импеданса.
Улучшенное производство
Но AgO никогда раньше не использовался в батареях с трафаретной печатью, потому что он очень окислительный и быстро разлагается химически.
Тестируя различные растворители и связующие, исследователи из лаборатории Вана в Калифорнийском университете в Сан-Диего смогли найти состав чернил, который делает AgO пригодным для печати . В результате аккумулятор можно распечатать всего за несколько секунд после подготовки чернил. Он высох и готов к использованию всего за несколько минут. Батарея также может быть напечатана в процессе с рулона на рулон, что увеличит скорость и сделает производство масштабируемым.
Батареи напечатаны на полимерной пленке, которая является химически стабильной, эластичной и имеет высокую температуру плавления (около 200 градусов по Цельсию или 400 градусов по Фаренгейту), которая может быть запечатана при нагревании. Токосъемники, цинковый анод, катод из AgO и соответствующие им сепараторы составляют сложенный слой с трафаретной печатью.
Команда уже работает над аккумулятором следующего поколения, стремясь создать более дешевые и быстрые зарядные устройства с еще более низким импедансом, которые будут использоваться в устройствах 5G и мягкой робототехнике, требующей высокой мощности и настраиваемых и гибких форм-факторов. .