Новата батерия е 10 пъти по -мощна от съвременното, гъвкава и акумулаторна

ТЕМИ:
Технология на батерията, нанотехнологии, UCSD, акумулаторна батерия
От УНИВЕРСИТЕТ В КАЛИФОРНИЯ - САН ДИЕГО 7 ДЕКЕМВРИ 2020 г.

Батериите успешно захранват гъвкава дисплейна система, оборудвана с микроконтролер и Bluetooth модули. И тук батерията се представя по -добре от наличните в търговската мрежа Li линейни монети. Кредит: Калифорнийският университет в Сан Диего

Екип от изследователи е разработил гъвкава, акумулаторна батерия от сребърен оксид-цинк с пет до 10 пъти по-голяма плътност на енергията в областта от съвременната техника. Батерията също е по -лесна за производство; докато повечето гъвкави батерии трябва да се произвеждат в стерилни условия, под вакуум, тази може да бъде отпечатана сито при нормални лабораторни условия. Устройството може да се използва в гъвкава, разтеглива електроника за носене, както и за мека роботика.

Екипът, съставен от изследователи от Калифорнийския университет в Сан Диего и базираната в Калифорния компания ZPower, подробно описва своите открития в броя на списанието Joule от 7 декември 2020 г.

„Нашите батерии могат да бъдат проектирани около електроника, вместо електрониката, която трябва да бъде проектирана около батерии“, каза Лу Ин, един от съавторите на доклада и доктор на науките. студент в изследователската група на професор Джозеф Уанг от наноинженерството на Калифорнийския университет в Сан Диего.

Ареалният капацитет на тази иновативна батерия е 50 милиампера на квадратен сантиметър при стайна температура-това е 10-20 пъти по-голям от площния капацитет на типична литиево-йонна батерия. Така че за същата повърхност, описаната в Joule батерия може да осигури 5 до 10 пъти по -голяма мощност.

„Този ​​вид площаден капацитет никога не е бил получаван досега“, каза Инзин. „И нашият производствен метод е достъпен и мащабируем.“

Ареалният капацитет на тази иновативна батерия е 50 милиампера на квадратен сантиметър при стайна температура-това е 10-20 пъти по-голям от площния капацитет на типична литиево-йонна батерия. Така че за същата повърхност, описаната в Joule батерия може да осигури 5 до 10 пъти по -голяма мощност. Кредит: Калифорнийският университет в Сан Диего

Новата батерия има по -голям капацитет от всяка от гъвкавите батерии, предлагани понастоящем на пазара. Това е така, защото батерията има много по -нисък импеданс - съпротивлението на електрическа верига или устройство към алтернативен ток. Колкото по -нисък е импедансът, толкова по -добра е производителността на батерията срещу висок токов разряд.

„Тъй като пазарът на 5G и Интернет на нещата (IoT) се разраства бързо, тази батерия, която превъзхожда търговските продукти на високотехнологични безжични устройства, вероятно ще бъде основен претендент като източник на енергия от следващо поколение за потребителска електроника“, каза Джонатан Шарф съавторът на доклада и доктор на науките. кандидат в изследователската група на професора по наноинженерство в Университета на Сан Диего Ин Ширли Мен.

Батериите успешно захранват гъвкава дисплейна система, оборудвана с микроконтролер и Bluetooth модули. И тук батерията се представя по -добре от наличните в търговската мрежа Li линейни монети.

Отпечатаните клетки на батерията се презареждат за повече от 80 цикъла, без да показват никакви значителни признаци на загуба на капацитет. Клетките също остават функционални, въпреки многократното огъване и усукване.

„Основният ни фокус беше да подобрим производителността на батерията и производствения процес“, каза Ин Ширли Менг, директор на Института за откриване и дизайн на UC Сан Диего и един от съответните автори на статията.

За да създадат батерията, изследователите са използвали патентован катоден дизайн и химия от ZPower. Уанг и неговият екип допринесоха своя опит в печатащи се разтегателни сензори и разтегателни батерии. Мън и нейните колеги предоставят своя опит в усъвършенстваната характеристика на електрохимичните системи за съхранение на енергия и характеризират всяка итерация на прототипа на батерията, докато тя достигне върхова производителност.

Рецептата за по -добро представяне

Изключителната енергийна плътност на батерията се дължи на химията на сребърния оксид-цинк (AgO-Zn). Повечето търговски гъвкави батерии използват Ag2O-Zn химия. В резултат на това те обикновено имат ограничен живот на цикъла и имат нисък капацитет. Това ограничава използването им до електроника за еднократна употреба с ниска мощност.

AgO традиционно се счита за нестабилен. Но катодният материал AgO на ZPower разчита на патентовано покритие от оловен оксид за подобряване на електрохимичната стабилност и проводимост на AgO.

Като допълнително предимство, химията на AgO-Zn е отговорна за ниския импеданс на батерията. Отпечатаните токови колектори на батерията също имат отлична проводимост, което също помага за постигане на по -нисък импеданс.

Подобрено производство

Но AgO никога преди не е бил използван в ситопечатна батерия, тъй като е силно окислителна и бързо се разгражда химически. Чрез тестване на различни разтворители и свързващи вещества, изследователите в лабораторията на Уанг в Калифорнийския университет в Сан Диего успяха да намерят формула на мастило, което прави AgO жизнеспособен за печат. В резултат на това батерията може да бъде отпечатана само за няколко секунди, след като мастилата са приготвени. Той е сух и готов за употреба само за минути. Батерията може да бъде отпечатана и в процес на навиване, което би увеличило скоростта и би направило производството мащабируемо.

Батериите са отпечатани върху полимерен филм, който е химически стабилен, еластичен и има висока точка на топене (около 200 градуса по С или 400 градуса по Фаренхайт), която може да бъде запечатана топлинно. Колекторите за ток, цинковият анод, AgO катодът и съответните им сепаратори съставляват наслоен ситопечатан слой.

Екипът вече работи върху следващото поколение батерия, като се стреми към по -евтини, по -бързи устройства за зареждане с още по -нисък импеданс, които биха се използвали в 5G устройства и мека роботика, които изискват висока мощност и персонализирани и гъвкави форм -фактори.

Справка: „Високопроизводителна печатна AgO-Zn акумулаторна батерия за гъвкава електроника“ от Lu Yin, Jonathan Scharf, Jessica Ma, Jean-Marie Doux, Christopher Redquest, Viet L. Le, Yijie Yin, Jeff Ortega, Xia Wei, Джоузеф Уанг и Ин Ширли Менг, 7 декември 2020 г., Джоул.
DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.008