Q&A:인쇄 가능한 플렉시블 배터리

UC San Diego의 Ying Shirley Meng 교수와 그녀의 팀은 일반적인 리튬 이온 배터리의 면적 에너지 밀도의 최소 10배인 유연한 산화은-아연 배터리의 작동 프로토타입을 개발했습니다. 일반 실내 환경에서 표준 스크린 인쇄 기술로 제작할 수 있습니다.

기술 요약:이 프로젝트에 대한 아이디어는 어떻게 얻었습니까?

맹: 저는 2008년부터 리튬 이온 배터리를 연구하는 독립적인 그룹을 만들었습니다. 배터리를 사용하는 일부 사람들은 유연하고 신축성 있는 고에너지 배터리를 만들 수 있는지 묻기 시작했습니다. 리튬 이온을 사용하기 어려운 응용 분야에 대한 요구가 항상 있었습니다. 그리고 항상 리튬 이온 화학과 관련된 문제가 있었습니다.

내 동료인 Joseph Wong 교수는 인쇄 가능한 전자공학 분야의 전문가이며 우리는 두 분야가 함께 협력하여 어떤 모양의 배터리를 만들고 신축성 있고 유연하게 만들 수 있는지 알아낼 수 있다고 생각하기 시작했습니다. 특히 IoT의 부상은 그러한 기술을 개발하려는 우리의 열망을 부추겼습니다.

Tech Briefs:유연하고 구부릴 수 있는 신축성 배터리에 대한 수요가 왜 그렇게 많은지 궁금합니다. 어떤 응용 프로그램이 있습니까?

맹: 최근 몇 년 동안 꽤 많은 응용 프로그램이 있습니다. 한 가지 예는 Fitbit입니다. 많은 건강 모니터링 장치가 있습니다. 많은 센서인 바이오센서는 이미 의류나 모바일 기기에 구현되어 있지만 대부분 경직된 형태입니다. 그것들은 착용할 수 있지만 당신은 그것들을 착용하는 것을 의식합니다. 배터리는 종종 제한 요소입니다. 사람들이 착용하고 싶지만 부피가 큰 배터리를 느끼길 원하지 않기 때문에 늘어나거나 구부릴 수 있는 배터리가 필요하다고 생각합니다.

1세대 제품으로 생각할 수 있는 한 가지 좋은 예는 Apple Watch 또는 Fitbit의 팔찌가 배터리일 수 있다는 것입니다. 또한 일부 사람들은 바이오센서가 통합된 머리띠를 착용하고 싶어할 수도 있습니다. 배터리도 포함되어 있으면 센서 데이터를 앱으로 직접 전송할 수 있습니다. 땀과 타액을 모니터링하여 건강 상태에 대한 많은 생체 정보를 얻을 수 있습니다.

그것들은 우리가 지금 작업하고 있는 매우 흥미로운 연구 주제입니다. 의류 회사는 관심이 있습니다. 군대는 사람들이 최상의 상태를 유지하기를 원하기 때문에 방위 산업에 관심이 있습니다. 결과적으로 그들의 신체 신호는 지속적으로 모니터링되기 때문에 부드럽고 유연한 고출력, 고성능의 전원 장치를 갖는 것이 정말 중요합니다.

Tech Briefs:센서 부분은 그렇게 높은 전력이 필요하지 않다고 생각하지만 신호를 전송하는 것은 필요한 것 같아요.

맹: 맞습니다. 대부분의 센서는 높은 전력이 필요하지 않지만 신호를 읽고 전화나 블루투스 장치 등으로 전송하려면 무언가가 필요합니다. 물론 하드 케이스 코인 셀을 사용할 수도 있지만 장치가 그다지 멋져 보이지는 않을 것입니다.

테크 브리프:말씀하신 대로 딱딱해서 불편합니다. 밀리암페어 시간으로 어떤 종류의 용량을 말하는 것입니까? 재충전해야 할 때까지 얼마나 오래 실행할 수 있습니까?

맹: 재충전이 불가능한 현재의 배터리는 제곱센티미터당 약 100mW-시간의 용량을 가지고 있습니다. 리튬 배터리 용량보다 몇 배 더 많습니다.

기술 요약:배터리와 리튬의 수명은 어떻게 됩니까?

맹: 일반적인 리튬 이온 코인 셀의 작동 시간보다 2~3배 더 나은 성능을 제공합니다.

테크 브리프:일반적으로 플렉서블 배터리는 진공 상태에서 멸균 상태에서 생산되어야 한다고 말씀하셨지만 귀하의 배터리는 그렇지 않습니다. 어떻게 달성할 수 있습니까?

맹: 우리는 리튬 화학을 멀리했습니다. 우리는 아연 기반 배터리를 사용하므로 수송되는 이온은 아연 이온입니다. 주변 조건에서 생성될 수 있는 양성 화학 물질입니다. 이를 통해 진공 방식이 아닌 스크린 인쇄를 사용할 수 있습니다. 플렉시블 배터리를 대량 생산하기 위해 인쇄 가능한 바이오 센서에서 채택한 방법입니다. 이러한 유형의 제조 공정에서 비용 절감은 매우 중요합니다.

Tech Briefs:잉크 생산 공정을 확대하는 방안을 검토한 적이 있습니까?

맹: 우리는 이것을 우리와 공동 개발하고 있는 주요 산업 파트너가 있습니다. 그래서 다음 단계를 위해 스케일링을 고려하고 있습니다. 우리는 업계 수요에 대한 예측을 기반으로 약 1천만 개의 매출에 대해 이야기해 왔습니다. 따라서 우리는 학습 곡선이 매우 가파릅니다. 현재 배터리는 우리 연구실의 학생들이 손으로 만들고 있습니다. 인쇄를 포함한 전체 프로세스를 자동화해야 합니다.

테크 브리프:설명에서 전류 수집가에 대한 내용을 읽었습니다. 뭐야?

맹: 집전체는 배터리 출력에 연결하기 위한 양극 및 음극 탭입니다. 우리는 또한 그것들을 인쇄할 수 있을 것이라고 생각합니다.

기술 요약: 당신은 그것을 생산하는 경제성이 궁극적으로 매우 좋을 것이라고 말했습니다.

맹: 우리가 걱정하는 유일한 것은 은 가격입니다. 그러나 이 배터리는 재활용될 것이므로 사용된 은이 결국 폐쇄 루프가 되기를 바랍니다. 우리는 모든 재료, 특히 음극의 산화은을 90% 이상 재활용할 수 있습니다. 우리는 이 화학 물질의 확장성과 기술 경제적 분석에 대한 후속 작업을 수행하고 있습니다.

기술 요약: 리튬 이온과 비교하여 배터리의 모양과 크기는 어떻습니까?

맹: 우리의 모양은 실제로 지금 맞춤형입니다. 우리는 2 x 2cm, 1 x 5, 2 x 5, 3 x 3을 만들었습니다. 따라서 다차원 셀을 만든 다음 쌓을 수도 있습니다. 인쇄에서는 레이어를 쌓아 전압을 만드는 것이 쉽습니다. 원칙적으로 같은 면적으로 다층 인쇄를 하면 코인 셀과 같은 에너지 밀도를 얻을 수 있지만 여전히 유연성이 있습니다. 많은 고객이 손목 밴드의 1 x 5와 같이 길쭉한 모양을 원합니다.

이것들은 모두 디자인 스프레드시트에 있습니다. 필요한 에너지와 인쇄 조건을 연결할 수 있습니다. 예를 들어, 5 x 5 패치 에너지원을 설계하는 경우 특정 에너지 밀도에서 맞춤 인쇄할 수 있습니다. 인쇄 조정이 쉽습니다.

기술 요약:연구의 다음 단계는 무엇입니까?

맹: 다음으로 1세대 비충전식 버전을 출시합니다. 2세대는 300회 충전이 가능합니다. 그것들의 경우 에너지 밀도가 약간 낮아지지만 충전식 배터리에 대한 요구 사항이 다릅니다. 실험실의 작은 셀에서 시연했지만 이제 실제 인쇄된 셀에서 시연해야 합니다.

가장 큰 병목은 스케일링이라고 생각합니다. 10개의 세포에서 수천 개의 세포를 만드는 것은 매우 중요한 단계입니다.

기술 요약: 상업화 일정에 대한 아이디어가 있습니까?

맹: 우리는 제품이 약 2년 안에 준비되기를 희망합니다. 수요에 관한 한 이는 자율 차량과 같은 IoT의 성장과 다소 관련이 있습니다. 자동차는 모든 것과 대화해야 합니다. 보행자, 나무, 건물, 모든 것이 소통되어야 모든 것이 어디에 있는지 알 수 있습니다. 나는 그것이 이미 일어났어야 한다고 예상했지만, 당신은 그런 일이 아직 일어나지 않았다는 것을 알고 있습니다.

다른 하나는 개인화된 건강 모니터링을 위한 IoT입니다. 내 과학자의 관점에서, 나는 이것이 이미 일어났어야 한다고 생각합니다. 예를 들어, 사람들은 휴대전화를 사용하여 혈당 수치를 즉시 읽을 수 있어야 합니다. 코로나의 경우, 우리는 자가 모니터링을 할 수 있어야 합니다. 하지만 미래에는 인프라, 건물, 모든 것 등 대부분의 사물에 센서와 배터리 태그가 붙게 될 것이라고 생각합니다.

원격의료는 이제 정말 중요한 분야라고 생각합니다. 우리는 코로나바이러스를 가지고 있으며 이것이 우리의 주요 원동력 중 하나입니다. 저는 학생들에게 코로나바이러스가 오랫동안 우리와 함께할 것이라고 생각하기 때문에 이것이 정말 중요하다고 말했습니다. 그래서 각자 자신의 건강 수준을 모니터링할 책임이 있습니다. 현재 바이러스 감지를 포함하여 매우 안정적인 전원이 필요한 센서가 개발되고 있습니다.

기술 요약: 그런 다음 이 정보를 의사에게 직접 전송할 수 있습니다.

맹: 예, 의사와 공중 보건 공무원은 사람이 감염되었는지 알아야 합니다. 개인 정보를 침해하는 것이 아니라 통제할 수 있도록 해야 합니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 Tech Briefs의 2021년 3월호에 실렸습니다.