Perguntas e respostas:Baterias flexíveis imprimíveis

A professora Ying Shirley Meng e sua equipe da UC San Diego desenvolveram um protótipo funcional de uma bateria flexível de óxido de prata e zinco que tem pelo menos dez vezes a densidade de energia em área de uma bateria de íons de lítio típica. Pode ser fabricado com tecnologia de serigrafia padrão em um ambiente normal de sala.

Tech Briefs:Como você teve a ideia para este projeto?

Meng: Tenho um grupo independente desde 2008 trabalhando em baterias de íons de lítio. Algumas pessoas que usavam baterias começaram a perguntar se poderíamos fazer baterias flexíveis, esticáveis ​​e de alta energia. Sempre houve uma demanda por aplicações onde o íon-lítio seria difícil de usar. E sempre houve problemas relacionados à química de íons de lítio.

Meu colega, o professor Joseph Wong, é um especialista em eletrônica imprimível e começamos a pensar que as duas disciplinas poderiam trabalhar juntas para descobrir como fazer baterias de qualquer formato e serem elásticas e flexíveis. A ascensão da IoT alimentou particularmente nosso desejo de desenvolver essa tecnologia.

Resumos técnicos:Estou curioso para saber por que há uma demanda tão grande por baterias esticáveis ​​flexíveis e dobráveis. Quais são alguns dos aplicativos?

Meng: Nos últimos anos, tem havido algumas aplicações. Um exemplo é o Fitbit – existem muitos dispositivos de monitoramento de saúde. Muitos sensores, biossensores, já estão implementados em roupas ou em dispositivos móveis, mas em sua maioria de forma rígida. Eles são usáveis, mas você está consciente de usá-los. As baterias são muitas vezes o fator limitante. Acho que precisamos de uma bateria elástica e dobrável porque as pessoas querem usá-las, mas não querem sentir baterias volumosas.

Um bom exemplo para se pensar como um produto de primeira geração é que a pulseira do Apple Watch ou Fitbit pode ser uma bateria. Além disso, algumas pessoas podem querer usar uma faixa de cabeça com um biossensor integrado. Se também contivesse uma bateria, os dados do sensor poderiam ser transmitidos diretamente para um aplicativo. Muitas informações biométricas podem ser obtidas sobre o estado de sua saúde monitorando seu suor e saliva.

Esses são os tópicos de pesquisa muito interessantes em que estamos trabalhando agora. Empresas de vestuário estão interessadas; e a indústria de defesa está interessada porque os militares querem que seu pessoal esteja nas melhores condições. Como resultado, seus sinais corporais são constantemente monitorados, portanto, ter dispositivos de energia macios e flexíveis com alta potência e alto desempenho é realmente importante.



Resumos técnicos:acho que a parte do sensor não precisa de uma potência tão alta, mas acho que a transmissão do sinal precisa.

Meng: Isso mesmo, a maioria dos sensores não precisa de alta potência, mas você precisa de algo para ler os sinais e transmiti-los para um telefone ou dispositivo Bluetooth, por exemplo. Claro, você pode usar uma célula de moeda de capa dura, mas o dispositivo não ficará muito legal.

Tech Briefs:E como você disse, é desconfortável porque é rígido. De que tipo de capacidade você está falando em miliamperes-hora? Quanto tempo pode funcionar antes que você precise recarregá-lo?

Meng: Nossa bateria atual, que não é recarregável, tem uma capacidade de cerca de 100 mW-hora por centímetro quadrado. É algumas vezes maior que a capacidade da bateria de lítio.

Resumos técnicos:e a vida útil da sua bateria em relação ao lítio?

Meng: Fazemos duas ou três vezes melhor do que a duração da operação de uma célula tipo moeda de íon de lítio.

Resumos Técnicos:Você disse que normalmente as baterias flexíveis devem ser produzidas em condições estéreis sob vácuo, mas a sua não. Como você consegue isso?

Meng: Ficamos longe da química do lítio. Usamos baterias à base de zinco, então os íons que são transportados são íons de zinco. É uma química benigna que pode ser produzida em condições ambientais. Isso nos permite usar serigrafia em vez de um método de vácuo. É um método que adotamos a partir de biossensores imprimíveis para produzir em massa nossas baterias flexíveis. A redução de custos aqui é muito significativa com esse tipo de processo de fabricação.

Resumos técnicos:você já pensou em ampliar o processo de produção da tinta?

Meng: Temos um grande parceiro industrial que está desenvolvendo isso conosco. Então, para a próxima etapa, eles estão considerando o dimensionamento. Temos falado sobre 10s de milhões em vendas, com base em nossas projeções de demandas da indústria. Portanto, temos uma curva de aprendizado muito íngreme - agora a bateria está sendo feita à mão por alunos em nosso laboratório - precisamos automatizar todo o processo, incluindo a impressão.

Tech Briefs:Na descrição que li, fala sobre um colecionador atual. O que é isso?

Meng: Os coletores de corrente são abas positivas e negativas para conexão com a saída da bateria. Achamos que também poderemos imprimi-los.

Resumos técnicos: Você disse que a economia de sua produção será muito boa no final das contas.

Meng: A única preocupação que temos é o preço da prata. Mas essas baterias serão recicladas, então esperamos que a prata usada seja um ciclo fechado. Podemos reciclar mais de 90% de todos os materiais, principalmente o óxido de prata no cátodo. Estamos fazendo um trabalho de acompanhamento sobre a escalabilidade e a análise técnico-econômica dessa química.

Resumos técnicos: Como o formato e o tamanho da sua bateria se comparam ao de íons de lítio?

Meng: Nossa forma é realmente personalizada agora. Fizemos 2 x 2 cm, 1 x 5, 2 x 5 e 3 x 3. Assim, podemos fazer células multidimensionais e também empilhá-las. Na impressão, é fácil empilhar camadas para construir a tensão. Em princípio, com a mesma área, se eu fizer impressão multicamada, posso obter a mesma densidade de energia que as células de moeda, mas ainda tenho flexibilidade. Muitos clientes querem uma forma alongada, como 1 x 5 para uma pulseira.

Tudo isso está em uma planilha de projeto. Você pode conectar a energia necessária, bem como as condições de impressão. Assim, por exemplo, se você estiver projetando uma fonte de energia de patch 5 x 5, em uma determinada densidade de energia, podemos imprimi-la de forma personalizada. A impressão é fácil de ajustar.

Resumos técnicos:quais são as próximas etapas da sua pesquisa?

Meng: Em seguida, lançaremos a versão não recarregável de primeira geração. A segunda geração será recarregável por 300 ciclos. para esses, a densidade de energia diminuirá um pouco, mas existem requisitos diferentes para baterias recarregáveis. Demonstramos isso em uma pequena célula no laboratório, mas agora precisamos demonstrá-lo nas células impressas reais.

Acho que o maior gargalo é a escala. De 10s de células a milhares - esse é um passo muito crítico.

Resumos técnicos: Você tem alguma ideia do cronograma para comercializá-lo?

Meng: Esperamos que o produto esteja pronto em cerca de dois anos. No que diz respeito à demanda, isso está um pouco ligado ao crescimento da IoT, por exemplo, veículos autônomos. O carro tem que falar com tudo, né? Pedestres, árvores, prédios, tudo precisa ser comunicado para que você saiba onde está tudo. Eu teria previsto que já deveria ter acontecido, mas você sabe que essas coisas ainda não aconteceram.

A outra coisa é a IoT para monitoramento de saúde personalizado. Da minha perspectiva de cientista, acho que isso já deveria ter acontecido. As pessoas devem poder usar seus telefones celulares para ler imediatamente o nível de açúcar no sangue, por exemplo. Para o Covid, devemos ser capazes de nos automonitorar. Mas vejo que, no futuro, a maioria das coisas:infraestrutura, prédios, tudo, será marcada com sensores e baterias.

Acho que a telessaúde é uma área muito importante agora. Temos o coronavírus, então essa é uma das nossas principais forças motrizes. Eu disse aos meus alunos que é muito importante porque acho que o coronavírus estará conosco por muito, muito tempo, então cada pessoa tem a responsabilidade de monitorar seu próprio nível de saúde. Atualmente estão sendo desenvolvidos sensores, inclusive para detecção de vírus, que necessitam de fontes de energia bastante confiáveis.

Resumos técnicos: E então poder transmitir essas informações diretamente ao seu médico.

Meng: Sim, seu médico e também as autoridades de saúde pública precisam saber se uma pessoa está infectada. Não para invadir sua privacidade, mas você precisa fazer isso para manter as coisas sob controle.

Uma versão editada desta entrevista foi publicada na edição de março de 2021 do Tech Briefs.