Группа исследователей разработала гибкую перезаряжаемую батарею из оксида серебра и цинка с поверхностной плотностью энергии в 5-10 раз большей, чем у современных. Аккумулятор также проще в производстве; В то время как большинство гибких батарей необходимо производить в стерильных условиях, в вакууме этот аккумулятор можно распечатать в обычных лабораторных условиях. Устройство можно использовать в гибкой, растягивающейся электронике для носимых устройств, а также в мягкой робототехнике.
Команда, состоящая из исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего и калифорнийской компании ZPower, подробно рассказала о своих выводах в выпуске журнала Joule от 7 декабря .
«Наши батареи могут быть сконструированы на основе электроники, вместо того, чтобы разрабатывать электронику на основе батарей», — сказал Лу Инь, один из соавторов статьи и доктор философии. 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.
«Такого рода площадь никогда не была достигнута», — сказал Инь. «И наш метод производства доступен и масштабируем».
Новая батарея имеет большую емкость, чем любые гибкие батареи, доступные 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 философии. кандидат в исследовательскую группу профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ин Ширли Мэн.
Аккумуляторы успешно питали гибкую систему отображения, оснащенную микроконтроллером и модулями Bluetooth. И здесь батарея показала лучшие характеристики, чем имеющиеся в продаже литиевые батарейки.
Напечатанные аккумуляторные элементы заряжались более 80 циклов, без каких-либо серьезных признаков потери емкости. Клетки также остались 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 батарей. Мэн и ее коллеги поделились своим опытом в области расширенных характеристик систем электрохимического накопления энергии и охарактеризовали каждую итерацию прототипа батареи до достижения максимальной производительности.
Рецепт повышения производительности
Исключительная плотность энергии аккумулятора 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 низкую производительность. Это ограничивает их использование маломощной одноразовой электроникой.
AgO традиционно считается нестабильным. Но материал катода AgO компании ZPower основан на запатентованном покрытии из оксида свинца, которое улучшает электрохимическую стабильность и проводимость AgO.
Дополнительным преимуществом является то, что 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 обладает высокой окислительной способностью и быстро разлагается химически. Тестируя различные растворители и связующие, исследователи в лаборатории Вана в Калифорнийском университете в Сан-Диего смогли найти состав чернил, который делает AgO пригодным для печати. В результате на батарею можно напечатать всего за несколько секунд после подготовки чернил. Он высохнет и готов к использованию через несколько минут. Батарею можно также напечатать в процессе рулонной печати, что повысит 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. Коллекторы тока, 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 более быстрые зарядные устройства с еще более низким импедансом, которые будут использоваться в устройствах 5G и мягкой робототехнике, которые требуют высокой мощности и настраиваемых и гибких форм-факторов. .
Источник истории:
Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Сан-Диего . Оригинал написан Иоаной Патрингенару. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
