Работа опубликована в выпуске Advanced Energy Materials от 19 апреля 2017 года.Исследователи сделали печатные батареи гибкими и растяжимыми, включив в них сверхэластичный полимерный материал, сделанный из изопрена, одного из основных ингредиентов резины, и полистирола, похожего на смолу компонента.
Вещество, известное как SIS, позволяет батареям растягиваться в два раза больше в любом направлении без повреждений.Чернила, используемые для печати батарей, сделаны из оксида цинка, серебра, смешанного с SIS.
Хотя цинковые батареи используются в течение длительного времени, они, как правило, не подлежат перезарядке. Исследователи добавили в батареи оксид висмута, чтобы сделать их перезаряжаемыми.«Это значительный шаг на пути к растягиваемой электронике с автономным питанием», — сказал Джозеф Ван, один из старших авторов статьи и профессор наноинженерии в инженерной школе Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, где он руководит школьным центром носимых датчиков. «Мы ожидаем, что эта технология проложит путь к усовершенствованию других форм хранения энергии и печатной растягиваемой электроники, не только для батарей на основе цинка, но и для литий-ионных батарей, а также суперконденсаторов и фотоэлектрических элементов».
Разработанный исследователями прототип батареи имеет примерно 1/5 емкости аккумуляторной батареи слухового аппарата. Но он на 1/10 толщины, дешевле и использует имеющиеся в продаже материалы. Для питания 3-вольтового светодиода требуются две такие батареи.
Исследователи все еще работают над улучшением производительности батареи. Следующие шаги включают расширение использования технологии в различных приложениях, таких как солнечные батареи и топливные элементы; и использование аккумулятора для питания различных электронных устройств.
Исследователи использовали стандартные методы трафаретной печати для изготовления батарей — метод, который резко снижает стоимость технологии. Обычные материалы для одной батареи стоят всего 0,50 доллара.
Сравнимая коммерчески доступная аккумуляторная батарея стоит 5 долларов США. Батареи можно печатать прямо на ткани или на материалах, которые позволяют носимым вещам прилипать к коже. Они также могут быть напечатаны в виде полосок для питания устройства, которому требуется больше энергии.
Они стабильны и их можно носить долгое время.Делаем батареи перезаряжаемымиКлючевым ингредиентом, который делает аккумуляторы перезаряжаемыми, является молекула, называемая оксидом висмута, которая при смешивании с цинковыми электродами аккумуляторов продлевает срок службы устройств и позволяет им перезаряжаться. Добавление оксида висмута в цинковые батареи является стандартной практикой в промышленности для повышения производительности, но до недавнего времени не было тщательного научного объяснения причин.
В прошлом году наноинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством профессора Ширли Мэн опубликовали подробное молекулярное исследование, посвященное этому вопросу. Когда цинковые батареи разряжаются, их электроды реагируют с жидким электролитом внутри батареи, образуя соли цинка, которые растворяются в растворе. В конечном итоге это приводит к короткому замыканию аккумулятора. Добавление оксида висмута предохраняет электрод от потери цинка в электролит.
Это гарантирует, что батареи продолжат работать и их можно будет перезарядить.В работе показано, что можно использовать небольшие количества добавок, например оксида висмута, для изменения свойств материалов. «Понимание научного механизма для этого позволит нам превратить неперезаряжаемые батареи в аккумуляторные — не только цинковые батареи, но и другие электрохимические батареи, такие как литий-кислородные», — сказал Мэн, руководитель отдела устойчивой энергетики и энергетики.
Энергетический центр в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего ДжейкобсОт инноваций к рынку
Раджан Кумар, соавтор этой статьи о передовых энергетических материалах, является доктором философии в области наноинженерии. студент инженерной школы Джейкобса. Он и профессор наноинженерии Ван возглавляют команду, занимающуюся коммерциализацией аспектов этой работы. Эта команда — одна из пяти, выбранных для работы в новом технологическом ускорителе Калифорнийского университета в Сан-Диего. Технологический акселератор находится в ведении Института глобального предпринимательства Калифорнийского университета в Сан-Диего, который является результатом сотрудничества между Школой инженерии Джейкобса и Школой менеджмента Рэди.
Кумар рад возможности воспользоваться всеми преимуществами IGE Technology Accelerator.«Для нас это стратегически идеально», — сказал Кумар, имея в виду финансирование в размере 50 000 долларов для усовершенствования прототипа, сосредоточение внимания на тестировании прототипа со стратегическим партнером и наставничество в области предпринимательства.Кумар уверен в нововведениях команды, в том числе в возможности замены батарейки типа «таблетка» на тонкие растягиваемые батарейки.
Сделать правильные стратегические шаги сейчас крайне важно для успеха коммерциализации.«Сейчас речь идет о том, чтобы убедиться, что наша энергия направлена в правильном направлении», — сказал Кумар.В дополнение к IGE Technology Accelerator, команда была недавно выбрана для участия в программе NSF Innovation-Corps (I-Corps) в Калифорнийском университете в Сан-Диего, также управляемой Институтом глобального предпринимателя. Один из ключевых принципов программы I-Corps — помочь командам стартапов проверить свои целевые рынки и бизнес-модели на ранних этапах процесса коммерциализации.
Например, через NSF I-Corps Кумар уже начал опрашивать потенциальных клиентов, что помогло команде лучше сфокусировать свою стратегию коммерциализации.С помощью этих программ Кумар сосредоточен на том, чтобы провести команду через ряд этапов, чтобы наилучшим образом позиционировать свои инновации, чтобы уточнить, «что строить и для кого строить», — сказал он.