Preguntas y respuestas:baterías flexibles imprimibles

La profesora Ying Shirley Meng y su equipo en UC San Diego han desarrollado un prototipo funcional de una batería flexible de óxido de plata y zinc que tiene al menos diez veces la densidad de energía de área de una batería típica de iones de litio. Se puede fabricar con tecnología de serigrafía estándar en un ambiente de habitación normal.

Resúmenes técnicos:¿Cómo se te ocurrió la idea de este proyecto?

Meng: He tenido un grupo independiente desde 2008 trabajando en baterías de iones de litio. Algunas personas que usaban baterías comenzaron a preguntar si podíamos fabricar baterías flexibles, estirables y de alta energía. Siempre ha habido una demanda de aplicaciones en las que los iones de litio serían difíciles de usar. Y siempre ha habido problemas relacionados con la química de los iones de litio.

Mi colega, el profesor Joseph Wong, es un experto en electrónica imprimible y empezamos a pensar que las dos disciplinas podrían trabajar juntas para averiguar cómo fabricar baterías de cualquier forma y que fueran estirables y flexibles. El auge de IoT impulsó particularmente nuestro deseo de desarrollar dicha tecnología.

Resumen técnico:Tengo curiosidad por saber por qué existe una demanda tan grande de baterías flexibles, flexibles y estirables. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones?

Meng: En los últimos años, ha habido bastantes aplicaciones. Un ejemplo es Fitbit:hay muchos dispositivos de control de la salud. Muchos sensores, biosensores, ya están implementados en la ropa o en dispositivos móviles, pero en su mayoría están en forma rígida. Son portátiles, pero eres consciente de usarlos. Las baterías son a menudo el factor limitante. Creo que necesitamos una batería que se pueda estirar y doblar porque la gente quiere usarla, pero no quiere sentir que las baterías son voluminosas.

Un buen ejemplo a tener en cuenta como producto de primera generación es que la pulsera del Apple Watch o Fitbit podría ser una batería. Además, algunas personas podrían querer usar una banda para la cabeza con un biosensor integrado. Si también contuviera una batería, los datos del sensor podrían transmitirse directamente a una aplicación. Se puede obtener mucha información biométrica sobre el estado de su salud mediante el control de su sudor y saliva.

Esos son los temas de investigación muy emocionantes en los que estamos trabajando ahora. Las empresas de ropa están interesadas; y la industria de defensa está interesada porque los militares quieren que su gente esté en las mejores condiciones. Como resultado, sus señales corporales se monitorean constantemente, por lo que es realmente importante tener dispositivos de potencia que sean suaves y flexibles con alta potencia y alto rendimiento.

Resumen técnico:creo que la parte del sensor no necesita tanta potencia, pero supongo que la transmisión de la señal sí.

Meng: Así es, la mayoría de los sensores no necesitan alta potencia, pero necesita algo para leer las señales y transmitirlas a un teléfono o dispositivo Bluetooth, por ejemplo. Por supuesto, podría usar una celda tipo moneda con carcasa rígida, pero el dispositivo no se verá muy bien.

Resumen técnico:Y como dijiste, lo hace incómodo porque es rígido. ¿De qué tipo de capacidad estás hablando en miliamperios hora? ¿Cuánto tiempo puede funcionar antes de que necesites recargarlo?

Meng: Nuestra batería actual, que no es recargable, tiene una capacidad de unos 100 mW-hora por centímetro cuadrado. Es varias veces mayor que la capacidad de la batería de litio.

Resúmenes técnicos:¿Qué hay de la vida útil de su batería en comparación con el litio?

Meng: Lo hacemos dos o tres veces mejor que la duración de funcionamiento de una pila tipo moneda de iones de litio típica.

Resúmenes técnicos:usted ha dicho que, normalmente, las baterías flexibles deben fabricarse en condiciones estériles al vacío, pero la suya no. ¿Cómo puedes lograr eso?

Meng: Nos mantuvimos alejados de la química del litio. Usamos baterías a base de zinc, por lo que los iones que se transportan son iones de zinc. Es una química benigna que se puede producir en condiciones ambientales. Eso nos permite usar serigrafía en lugar de un método de vacío. Es un método que adoptamos a partir de biosensores imprimibles para producir en masa nuestras baterías flexibles. La reducción de costos aquí es muy significativa con este tipo de proceso de fabricación.

Resumen técnico:¿Ha pensado en ampliar el proceso de producción de la tinta?

Meng: Tenemos un importante socio industrial que está co-desarrollando esto con nosotros. Entonces, para la próxima etapa, están considerando la escala. Hemos estado hablando de decenas de millones en ventas, según nuestras proyecciones de demandas de la industria. Por lo tanto, tenemos una curva de aprendizaje muy pronunciada:en este momento, los estudiantes de nuestro laboratorio están fabricando a mano la batería; necesitamos automatizar todo el proceso, incluida la impresión.

Resúmenes técnicos:en la descripción que leí se habla de un coleccionista actual. ¿Qué es eso?

Meng: Los colectores de corriente son pestañas positivas y negativas para conectar a la salida de la batería. Creemos que también podremos imprimirlos.

Resúmenes técnicos: Dijiste que la economía de producirlo será muy buena en última instancia.

Meng: La única preocupación que tenemos es el precio de la plata. Pero estas baterías se reciclarán, por lo que esperamos que la plata utilizada eventualmente sea un circuito cerrado. Podemos reciclar más del 90% de todos los materiales, particularmente el óxido de plata en el cátodo. Estamos haciendo un trabajo de seguimiento sobre la escalabilidad y el análisis tecnoeconómico de esta química.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo se compararían la forma y el tamaño de su batería con los de iones de litio?

Meng: Nuestra forma está hecha a medida en este momento. Hemos hecho 2 x 2 cm, 1 x 5, 2 x 5 y 3 x 3. Entonces, podemos hacer celdas multidimensionales y luego también apilarlas. En la impresión, es fácil apilar capas para generar el voltaje. En principio, con la misma área, si hago una impresión multicapa, puedo lograr la misma densidad de energía que las celdas de monedas pero aún tengo flexibilidad. Muchos clientes quieren una forma alargada, como 1 x 5 para una pulsera.

Todo esto está en una hoja de cálculo de diseño. Puedes enchufar la energía que necesites, así como las condiciones de impresión. Entonces, por ejemplo, si está diseñando una fuente de energía de parche de 5 x 5, con una determinada densidad de energía, podemos imprimirla de forma personalizada. La impresión es fácil de ajustar.

Resúmenes técnicos:¿Cuáles son los próximos pasos en su investigación?

Meng: A continuación, lanzaremos la versión no recargable de primera generación. La segunda generación será recargable por 300 ciclos. para ellos, la densidad de energía se reducirá un poco, pero existen diferentes requisitos para las baterías recargables. Lo hemos demostrado en una celda pequeña en el laboratorio, pero ahora necesitamos demostrarlo en las celdas impresas reales.

Creo que el principal cuello de botella es la escala. De decenas de células a hacer miles, ese es un paso muy crítico.

Resúmenes técnicos: ¿Tienes alguna idea del cronograma para comercializarlo?

Meng: Esperamos que el producto esté listo en unos dos años. En cuanto a la demanda, está un poco ligada al crecimiento del IoT, por ejemplo, los vehículos autónomos. El coche tiene que hablar con todo, ¿no? Peatones, árboles, edificios, todo necesita estar comunicado para que sepas dónde está cada cosa. Hubiera predicho que ya debería haber sucedido, pero sabes que esas cosas aún no han sucedido.

La otra cosa es el IoT para el seguimiento personalizado de la salud. Desde mi perspectiva científica, creo que esto ya debería haber sucedido. Las personas deberían poder usar sus teléfonos celulares para leer inmediatamente el nivel de azúcar en la sangre, por ejemplo. Para Covid, deberíamos poder autocontrolarnos. Pero veo que en el futuro la mayoría de las cosas:infraestructura, edificios, todo, estarán etiquetados con sensores y baterías.

Creo que la telesalud es un área realmente importante ahora. Tenemos el coronavirus, por lo que esta es una de nuestras principales fuerzas impulsoras. Les dije a mis alumnos que es muy importante porque creo que el coronavirus estará con nosotros durante mucho, mucho tiempo, por lo que cada persona tiene la responsabilidad de controlar su propio nivel de salud. Actualmente se están desarrollando sensores, incluso para la detección de virus, que necesitan fuentes de alimentación muy fiables.

Resúmenes técnicos: Y luego poder transmitir esta información directamente a su médico.

Meng: Sí, su médico y también los funcionarios de salud pública necesitan saber si una persona está infectada. No para invadir su privacidad, pero debe hacerlo para mantener las cosas bajo control.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de marzo de 2021 de Tech Briefs.