Baterias Flexíveis Impressas: 10× Densidade de Energia com Serigrafia Padrão

A Professora Ying Shirley Meng e sua equipe na UC San Diego desenvolveram um protótipo funcional de uma bateria flexível de óxido de prata-zinco que tem pelo menos dez vezes a densidade de energia areal de uma bateria típica de íon-lítio. Ela pode ser fabricada 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 íon-lítio. Algumas pessoas usando baterias começaram a perguntar se poderíamos fazer baterias flexíveis, esticáveis, de alta energia. Sempre houve uma demanda para aplicações onde íon-lítio seria difícil de usar. E sempre houve problemas relacionados à química de íon-lítio.

Meu colega, Professor Joseph Wong, é uma pessoa de eletrônica impressa e começamos a pensar que as duas disciplinas poderiam trabalhar juntas para descobrir como fazer baterias de qualquer forma e serem esticáveis e flexíveis. A ascensão da IoT particularmente alimentou nosso desejo de desenvolver tal tecnologia.

Tech Briefs: Tenho curiosidade por que há tanta demanda por baterias flexíveis, dobráveis, esticáveis. Quais são algumas das aplicações?

Meng: Nos últimos anos, houve bastantes aplicações. Um exemplo é Fitbit — há muitos dispositivos de monitoramento de saúde. Muitos sensores, biossensores, já estão implementados em roupas ou dispositivos móveis, mas estão principalmente em forma rígida. Eles são vestíveis, mas você está consciente de usá-los. As baterias são frequentemente o fator limitante. Acho que precisamos de uma bateria esticável, dobrável porque as pessoas querem usá-las, mas não querem sentir baterias volumosas.

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

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

Tech Briefs: Eu pensaria que a parte do sensor não precisa de tanta potência, mas acho que transmitir o sinal sim.

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 poderia usar uma célula de moeda com caixa dura, mas o dispositivo não ficaria muito legal.

Tech Briefs: E como você disse, torna desconfortável porque é rígido. Que tipo de capacidade você está falando em miliampere-horas? Quanto tempo pode funcionar antes de precisar recarregar?

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

Tech Briefs: E sobre a vida da sua bateria vs. lítio?

Meng: Fazemos duas ou três vezes melhor que a duração de operação de uma célula de moeda típica de íon-lítio.

Tech Briefs: Você disse que normalmente, baterias flexíveis têm que ser produzidas em condições estéreis sob vácuo, mas a sua não. Como você consegue isso?

Meng: Nós nos afastamos da química de lítio. Usamos baterias baseadas em zinco, então os íons que são transportados são íons de zinco. É uma química benigna que pode ser produzida em condições ambientes. Isso nos permite usar serigrafia em vez de método a vácuo. É um método que adotamos de biossensores impressos para produzir em massa nossas baterias flexíveis. A redução de custo aqui é muito significativa com este tipo de processo de fabricação.

Tech Briefs: Você olhou para escalar o processo de produção da tinta?

Meng: Temos um grande parceiro industrial que está co-desenvolvendo isso conosco. Então, para o próximo estágio, eles estão considerando a escala. Temos falado sobre dezenas de milhões em vendas, baseados em nossas projeções de demandas da indústria. Então, temos uma curva de aprendizado muito íngreme — agora a bateria está sendo artesanalmente feita por estudantes em nosso laboratório — precisamos automatizar todo o processo incluindo a impressão.

Tech Briefs: Na descrição que li fala sobre um coletor de corrente. O que é isso?

Meng: Os coletores de corrente são abas positivas e negativas para conectar à saída da bateria. Acho que também seremos capazes de imprimi-los.

Tech Briefs: Você disse que a economia de produzi-lo será muito boa no final.

Meng: A única preocupação que temos é o preço da prata. Mas estas baterias serão recicladas, então estamos esperando que a prata usada eventualmente seja um ciclo fechado. Podemos reciclar mais de 90% de todos os materiais, particularmente o óxido de prata no cátodo. Estamos fazendo trabalho de acompanhamento sobre escalabilidade e análise tecnoeconômica desta química.

Tech Briefs: Como a forma e tamanho da sua bateria se comparariam ao íon-lítio?

Meng: Nossa forma é realmente feita sob medida agora. Fizemos 2x2cm, 1x5, 2x5 e 3x3. Então, podemos fazer células multidimensionais e também empilhá-las. Na impressão, é fácil empilhar camadas para construir a voltagem. Em princípio com a mesma área, se eu fizer impressão multicamada, posso alcançar a mesma densidade de energia que células de moeda mas ainda ter flexibilidade. Muitos clientes querem uma forma alongada, você sabe, como 1x5 para uma pulseira.

Tudo isso está em uma planilha de design. Você pode conectar a energia que precisa, bem como condições de impressão. Então, por exemplo, se você está projetando uma fonte de energia de patch 5x5, a uma certa densidade de energia, podemos imprimi-la sob medida. A impressão é fácil de ajustar.

Tech Briefs: Quais são os próximos passos na sua pesquisa?

Meng: Em seguida, lançaremos a primeira versão não recarregável. A segunda geração será recarregável por 300 ciclos. Para essas, a densidade de energia cairá um pouco, mas há requisitos diferentes para baterias recarregáveis. Demonstramos em uma pequena célula no laboratório, mas agora precisamos demonstrar nas células impressas reais.

Acho que o maior gargalo é a escala. De dezenas de células para fazer milhares — esse é um passo muito crítico.

Tech Briefs: Você tem alguma ideia do cronograma para comercialização?

Meng: Estamos esperançosos que o produto estará pronto em cerca de dois anos. Quanto à demanda, isso está um pouco ligado ao crescimento da IoT, por exemplo, veículos autônomos. O carro tem que falar com tudo, certo? Pedestres, árvores, prédios, tudo precisa ser comunicado para que você saiba onde tudo está. 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 deveriam ser capazes de usar seus celulares para ler imediatamente nível de açúcar no sangue, por exemplo. Para Covid, deveríamos ser capazes de auto-monitorar. Mas eu vejo que no futuro a maioria das coisas: infraestrutura, prédios, tudo, será marcada com sensores e baterias.

Acho que telemedicina é uma área realmente importante agora. Temos o coronavírus, então esta é uma de nossas principais forças motrizes. Disse aos meus alunos que é realmente importante porque acho que o coronavírus estará conosco por muito, muito tempo, então cada pessoa tem responsabilidade de monitorar seu próprio nível de saúde. Atualmente sensores estão sendo desenvolvidos, incluindo para detecção de vírus, que precisam de fontes de energia muito confiáveis.

Tech Briefs: E então ser capaz de transmitir esta informação diretamente para seu médico.

Meng: Sim, seu médico e também 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 apareceu na edição de março de 2021 da Tech Briefs.