フレキシブル印刷電池：標準スクリーン印刷でリチウムイオンの10倍のエネルギー密度

カリフォルニア大学サンディエゴ校のYing Shirley Meng教授とそのチームは、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、フレキシブルな酸化銀-亜鉛電池の動作プロトタイプを開発しました。通常の室内環境で、標準的なスクリーン印刷技術で製造できます。

Tech Briefs: このプロジェクトのアイデアはどのように生まれたのですか？

Meng: 2008年から独立したグループでリチウムイオン電池の研究をしてきました。電池を使用する人々から、フレキシブルで伸縮可能な高エネルギー電池を作れないかと質問されるようになりました。リチウムイオンでは難しいアプリケーションへの需要は常にありました。また、リチウムイオン化学に関する問題も常にありました。

私の同僚、Joseph Wong教授は印刷エレクトロニクスの専門家で、2つの分野が協力すれば、あらゆる形状で伸縮可能なフレキシブル電池を作る方法がわかるのではないかと考え始めました。IoTの台頭が、このような技術開発への私たちの意欲を特に駆り立てました。

Tech Briefs: フレキシブルで曲げられ、伸縮可能な電池への需要がこれほど大きいのはなぜか気になります。どんなアプリケーションがありますか？

Meng: 近年、いくつかのアプリケーションが出てきています。一例はFitbitなどのヘルスモニタリングデバイスです。多くのセンサー、バイオセンサーがすでに衣服やモバイルデバイスに実装されていますが、それらはほとんど硬質な形態です。着用可能ですが、着けていることを意識させられます。電池がしばしば制限要因になります。人々は着用したいが、かさばる電池を感じたくないため、伸縮可能で曲げられる電池が必要だと考えます。

初代製品として考えやすい好例は、Apple WatchやFitbitのリストバンド自体が電池になることです。また、統合バイオセンサー付きヘッドバンドを着用したい人もいるでしょう。それに電池も含まれていれば、センサーデータを直接アプリに送信できます。汗や唾液をモニタリングすることで、健康状態に関する多くの生体情報を取得できます。

これらは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。アパレル企業が関心を持っており、国防産業も関心を持っています。軍隊は隊員を最高のコンディションに保ちたいと考えており、体内信号が常時モニタリングされるため、柔軟で高出力、高性能な電源デバイスが非常に重要です。

Tech Briefs: センサー部分にはそんなに高い電力は不要だと思いますが、信号送信には必要なのですね。

Meng: その通りです。ほとんどのセンサーは高電力を必要としませんが、信号を読み取り、携帯電話や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セルを使うこともできますが、デバイスがあまりカッコよく見えなくなります。

Tech Briefs: おっしゃる通り、硬いため不快です。容量はミリアンペアアワーでどのくらいですか？ 充電が必要になるまでどのくらい動作しますか？

Meng: 現在の電池（充電式ではありません）は、約100mWh/平方センチメートルの容量があります。リチウム電池の容量の数倍です。

Tech Briefs: リチウムと比べて電池寿命はどうですか？

Meng: 一般的なリチウムイオンコインセルの動作持続時間と比べて、2〜3倍優れています。

Tech Briefs: 通常、フレキシブル電池は無菌状態で真空下で製造する必要があると言われていますが、あなたたちの電池は違います。どうやってそれを実現したのですか？

Meng: リチウム化学を避けました。亜鉛ベースの電池を使用するため、輸送されるイオンは亜鉛イオンです。常温常圧で製造できる無害な化学系です。これにより、真空法ではなくスクリーン印刷を使用できます。大量生産のために、印刷バイオセンサーからこの手法を採用しました。この製造プロセスによるコスト削減は非常に大きいです。

Tech Briefs: インクの製造プロセスのスケールアップについて検討されましたか？

Meng: 共同開発している主要な産業パートナーがいます。次の段階では、彼らがスケーリングを検討しています。業界需要の予測に基づき、数千万単位の売上について話し合っています。非常に急な学習曲線です。現在、電池はラボで学生たち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。

Tech Briefs: 説明に「集電体」という言葉がありますが、これは何ですか？

Meng: 集電体は、電池の出力に接続するための正極と負極のタブです。これらも印刷できると考えています。

Tech Briefs: 最終的に製造コストは非常に良くなるとおっしゃいましたね。

Meng: 唯一の懸念は銀の価格です。しかし、これらの電池はリサイクルされるため、使用される銀が最終的にはクローズドループになることを期待しています。すべての材料、特に正極の酸化銀を90%以上リサイクルできます。この化学系の拡張性とテクノエコノミック分析について、フォローアップ作業を行っています。

Tech Briefs: 電池の形状とサイズはリチウムイオンとどう比較されますか？

Meng: 現在、形状はカスタムメイドです。2×2cm、1×5、2×5、3×3などを作ってきました。多次元セルを作成し、それらをスタックすることもできます。印刷では、レイヤーを重ねて電圧を上げるのが簡単です。原理的には同じ面積で、多層印刷をすれば、コインセルと同じエネルギー密度を達成しながら、フレキシブル性を維持できます。多くのお客様は、リストバンド用のように1×5などの細長い形状を望まれます。

これらはすべて設計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入力できます。例えば、特定のエネルギー密度で5×5cmのパッチ型電源を設計する場合、カスタム印刷できます。印刷は簡単に調整できます。

Tech Briefs: 研究の次のステップは何ですか？

Meng: 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サイクル充電式になります。それらではエネルギー密度は少し下がりますが、充電式電池には別の要件があります。ラボの小さなセルで実証済みですが、今度は実際の印刷セルで実証する必要があります。

主要なボトルネックはスケーリングだと思います。数十個のセルから数千個を作る。それが非常に重要なステップです。

Tech Briefs: 商用化のタイムラインについて何か見込みはありますか？

Meng: 約2年で製品が準備できると期待しています。需要の面からは、IoTの成長、例えば自律走行車などにある程度結びついています。車はあらゆるものと通信しなければなりませんよね？ 歩行者、木、建物、すべてが通信され、すべての位置がわかる必要があります。もう起きているべきだと思っていましたが、まだ実現していません。

もう1つは、パーソナライズドヘルスモニタリングのためのIoTです。科学者の視点からは、これもすでに起きているべきだと思います。人々は携帯電話で即座に血糖値を読めるようになるべきです。コロナ禍では、自己モニタリングが可能であるべきでした。しかし、将来的には、インフラ、建物、あらゆるものがセンサーと電池でタグ付けされるようになると見ています。

テレヘルスは今、非常に重要な分野です。コロナウイルスがあるので、これが私たちの主要な推進力の1つです。私は学生들에게、コロナウイルスは長く付き合っていくことになるから、各自が自分の健康レベルをモニタリングする責任がある、と伝えました。現在、ウイルス検出用などのセンサーが開発されており、それらには非常に信頼性の高い電源が必要です。

Tech Briefs: そして、この情報を直接医師に送信できるようになる。

Meng: はい、医師にも、公衆衛生当局にも、誰か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ためではなく、状況をコントロールするために必要です。

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