Q＆A：印刷可能なフレキシブルバッテリー

カリフォルニア大学サンディエゴ校のYingShirleyMeng教授と彼女のチームは、一般的なリチウムイオン電池の少なくとも10倍の面積エネルギー密度を持つ柔軟な酸化銀亜鉛電池の実用的なプロトタイプを開発しました。通常の部屋環境で標準のスクリーン印刷技術を使用して製造できます。

技術概要：このプロジェクトのアイデアはどのようにして得ましたか？

メン： 私は2008年以来、リチウムイオン電池に取り組んでいる独立したグループを持っています。電池を使っている人の中には、柔軟で伸縮性のある高エネルギー電池を作れるかと尋ね始めた人もいます。リチウムイオンが使いにくい用途が常に求められています。そして、リチウムイオン化学に関係する問題は常にありました。

私の同僚であるジョセフ・ウォン教授はプリンテッドエレクトロニクスの担当者であり、2つの分野が協力して、あらゆる形状のバッテリーを作成し、伸縮性と柔軟性を持たせる方法を考え始めました。 IoTの台頭は、特にそのようなテクノロジーを開発したいという私たちの欲求を刺激しました。

技術概要：柔軟性があり、曲げることができる伸縮性のあるバッテリーがなぜこれほど大きな需要があるのか​​興味があります。アプリケーションにはどのようなものがありますか？

メン： 近年、かなりの数のアプリケーションがあります。一例はFitbitです—健康監視デバイスはたくさんあります。多くのセンサー、バイオセンサーは、すでに衣類やモバイルデバイスに実装されていますが、ほとんどが堅固な形になっています。ウェアラブルですが、あなたはそれらを着用することを意識しています。多くの場合、バッテリーが制限要因になります。人々はバッテリーを身に付けたいが、かさばるバッテリーを感じたくないので、伸縮性と曲げ性のあるバッテリーが必要だと思います。

第一世代の製品として考える良い例の1つは、AppleWatchまたはFitbitのリストバンドがバッテリーである可能性があることです。また、バイオセンサーが組み込まれたヘッドバンドを着用したい人もいるかもしれません。バッテリーも含まれている場合は、センサーデータをアプリに直接送信できます。汗や唾液を監視することで、健康状態に関する多くの生体認証情報を得ることができます。

これらは、私たちが現在取り組んでいる非常にエキサイティングな研究トピックです。アパレル企業は興味を持っています。軍隊は彼らの人々が最高の状態にあることを望んでいるので、防衛産業は興味を持っています。その結果、身体の信号は常に監視されているため、柔らかくて柔軟性があり、高出力で高性能なパワーデバイスを使用することが非常に重要です。

技術概要：センサー部分はそれほど高い電力を必要としないと思いますが、信号を送信することは必要だと思います。

メン： そうです、ほとんどのセンサーは高電力を必要としませんが、信号を読み取って電話やBluetoothデバイスなどに送信するための何かが必要です。もちろん、ハードケースのコイン電池を使用することもできますが、デバイスはあまりクールに見えません。

技術ブリーフ：そしてあなたが言ったように、それは硬いのでそれを不快にします。ミリアンペア時間でどのような容量について話しているのですか？再充電が必要になるまで、どのくらいの期間実行できますか？

メン： 充電式ではない現在のバッテリーの容量は、1平方センチメートルあたり約100mW時です。リチウム電池の容量の数倍です。

技術概要：バッテリーとリチウムの寿命はどうですか？

メン： 通常のリチウムイオンコイン電池の動作時間の2〜3倍の性能を発揮します。

技術概要：通常、フレキシブルバッテリーは真空下で無菌状態で製造する必要があるとおっしゃっていますが、そうではありません。どうすればそれを達成できますか？

メン： 私たちはリチウム化学から離れていました。亜鉛電池を使用しているため、輸送されるイオンは亜鉛イオンです。これは、周囲条件で生成できる良性の化学物質です。これにより、真空法ではなくスクリーン印刷を使用できるようになります。これは、フレキシブルバッテリーを大量生産するために印刷可能なバイオセンサーから採用した方法です。ここでのコスト削減は、このタイプの製造プロセスでは非常に重要です。

技術概要：インクの製造プロセスをスケールアップすることを検討しましたか？

メン： これを共同開発している主要な産業パートナーがいます。したがって、次の段階では、スケーリングを検討しています。業界の需要予測に基づいて、売上高は数千万ドルに上ります。そのため、非常に急な学習曲線があります。現在、バッテリーはラボの学生によって手作りされています。印刷を含むプロセス全体を自動化する必要があります。

技術概要：説明の中で、現在のコレクターについて説明しています。それは何ですか？

メン： 集電装置は、バッテリーの出力に接続するための正と負のタブです。印刷もできると思います。

技術概要： それを生産する経済性は最終的には非常に良いとおっしゃいました。

メン： 私たちが抱えている唯一の懸念は、銀の価格です。しかし、これらのバッテリーはリサイクルされるので、使用される銀が最終的に閉ループになることを望んでいます。すべての材料、特にカソードの酸化銀を90％以上リサイクルできます。この化学のスケーラビリティと技術経済分析についてフォローアップ作業を行っています。

技術概要： バッテリーの形状とサイズはリチウムイオンと比較してどうですか？

メン： 私たちの形は、実際には現在カスタムメイドです。 2 x 2cm、1 x 5、2 x 5、および3 x 3を実行しました。したがって、多次元セルを作成してから、それらを積み重ねることもできます。印刷では、電圧を構築するためにレイヤーを積み重ねるのは簡単です。原則として同じ面積で多層印刷を行うと、コイン型電池と同じエネルギー密度を実現できますが、柔軟性はあります。多くのお客様は、リストバンドの1x5のような細長い形状を望んでいます。

これらはすべてデザインスプレッドシートにあります。必要なエネルギーと印刷条件をプラグインできます。したがって、たとえば、特定のエネルギー密度で5 x 5パッチのエネルギー源を設計している場合は、それをカスタム印刷できます。印刷の調整は簡単です。

技術概要：調査の次のステップは何ですか？

メン： 次に、第1世代の非充電式バージョンをリリースします。第2世代は300サイクル充電可能です。それらの場合、エネルギー密度は少し低下しますが、充電式バッテリーにはさまざまな要件があります。ラボの小さなセルでデモンストレーションしましたが、実際の印刷セルでデモンストレーションする必要があります。

主なボトルネックはスケーリングだと思います。数十個の細胞から数千個の細胞を作るまで、これは非常に重要なステップです。

技術概要： それを商品化するためのタイムラインについて何か考えがありますか？

メン： 約2年で完成することを期待しています。需要に関する限り、それはIoTの成長、たとえば自動運転車とある程度関係しています。車はすべてに話しかける必要がありますよね？歩行者、樹木、建物、すべてがどこにあるかを知るために、すべてを伝達する必要があります。私はそれがすでに起こっているはずだと予測していましたが、あなたはそれらのことがまだ起こっていないことを知っています。

もう1つは、パーソナライズされたヘルスモニタリングのためのIoTです。私の科学者の観点からは、これはすでに起こっているはずだと思います。たとえば、人々は携帯電話を使用して血糖値をすぐに読み取ることができるはずです。 Covidの場合、自己監視できるはずです。しかし、将来的には、インフラストラクチャ、建物、すべてのものにセンサーとバッテリーのタグが付けられるようになると思います。

遠隔医療は今、本当に重要な分野だと思います。私たちはコロナウイルスを持っているので、これは私たちの主要な原動力の1つです。コロナウイルスは長い間私たちと一緒にいると思うので、生徒たちにそれは本当に重要だと言いました。そのため、各自が自分の健康レベルを監視する責任があります。現在、ウイルス検出を含め、非常に信頼性の高い電源を必要とするセンサーが開発されています。

技術概要： そして、この情報を医師に直接送信できるようになります。

メン： はい、あなたの医者と公衆衛生当局は人が感染しているかどうかを知る必要があります。プライバシーを侵害することはありませんが、物事を管理するためにそれを行う必要があります。

このインタビューの編集版は、TechBriefsの2021年3月号に掲載されました。