09.12.2020 - University of California, San Diego

Diese flexible und wiederaufladbare Batterie ist 10-mal leistungsfähiger als der Stand der Technik

Ein Forscherteam hat eine flexible, wiederaufladbare Silberoxid-Zink-Batterie mit einer fünf- bis zehnfach höheren Flächenenergiedichte als der Stand der Technik entwickelt. Die Batterie ist auch einfacher herzustellen; während die meisten flexiblen Batterien unter sterilen Bedingungen unter Vakuum hergestellt werden müssen, kann diese unter normalen Laborbedingungen im Siebdruckverfahren bedruckt werden. Das Gerät kann sowohl in der flexiblen, dehnbaren Elektronik für Wearables als auch in der Soft-Robotik eingesetzt werden.

Das Team, das sich aus Forschern der Universität von Kalifornien San Diego und der kalifornischen Firma ZPower zusammensetzt, erläutert seine Ergebnisse in der Ausgabe vom 7. Dezember der Zeitschrift Joule.

"Unsere Batterien können um Elektronik herum entworfen werden, anstatt dass Elektronik um Batterien herum entworfen werden muss", sagte Lu Yin, einer der Co-Erstautoren der Arbeit und Doktorand in der Forschungsgruppe von Professor Joseph Wang, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego.

Die Flächenkapazität für diese innovative Batterie beträgt 50 Milliampere pro Quadratzentimeter bei Raumtemperatur - das ist 10-20 Mal höher als die Flächenkapazität einer typischen Lithium-Ionen-Batterie. Bei gleicher Fläche kann die in Joule beschriebene Batterie also das 5- bis 10-fache an Leistung liefern.

"Diese Art von Flächenkapazität wurde noch nie zuvor erreicht", sagte Yinsaid. "Und unser Herstellungsverfahren ist erschwinglich und skalierbar."

Die neue Batterie hat eine höhere Kapazität als jede der derzeit auf dem Markt erhältlichen flexiblen Batterien. Das liegt daran, dass die Batterie eine viel niedrigere Impedanz hat - den Widerstand eines Stromkreises oder eines Geräts gegenüber Alternativstrom. Je niedriger die Impedanz, desto besser ist die Leistung der Batterie bei Entladung mit hohem Strom.

"Da der Markt für 5G und das Internet der Dinge (IoT) schnell wächst, wird diese Batterie, die kommerzielle Produkte in drahtlosen Hochstromgeräten übertrifft, wahrscheinlich ein Hauptanwärter als Stromquelle der nächsten Generation für die Unterhaltungselektronik sein", sagte Jonathan Scharf, Co-Erstautor des Artikels und Doktorand in der Forschungsgruppe von Ying Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UC San Diego.

Die Batterien versorgten erfolgreich ein flexibles Anzeigesystem, das mit einem Mikrocontroller und Bluetooth-Modulen ausgestattet war. Auch hier schnitt die Batterie besser ab als handelsübliche Li-Knopfzelle.

Die gedruckten Batteriezellen wurden mehr als 80 Zyklen lang wieder aufgeladen, ohne größere Anzeichen von Kapazitätsverlust zu zeigen. Die Zellen blieben auch trotz wiederholtem Biegen und Verdrehen funktionsfähig.

"Unser Hauptaugenmerk lag auf der Verbesserung sowohl der Batterieleistung als auch des Herstellungsprozesses", sagte Ying Shirley Meng, Direktorin des UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design und eine der korrespondierenden Autorinnen des Papiers.

Zur Herstellung der Batterie verwendeten die Forscher ein proprietäres Kathodendesign und die Chemie von ZPower. Wang und sein Team steuerten ihr Fachwissen über druckbare, dehnbare Sensoren und dehnbare Batterien bei. Meng und ihre Kollegen steuerten ihr Fachwissen in der fortgeschrittenen Charakterisierung für elektrochemische Energiespeichersysteme bei und charakterisierten jede Iteration des Batterieprototypen, bis er seine Spitzenleistung erreichte.

Das Rezept für bessere Leistung

Die außergewöhnliche Energiedichte der Batterie ist auf ihre Silberoxid-Zink-Chemie (AgO-Zn) zurückzuführen. Die meisten kommerziellen flexiblen Batterien verwenden eine Ag2O-Zn-Chemie. Infolgedessen haben sie in der Regel eine begrenzte Zykluslebensdauer und eine geringe Kapazität. Dies beschränkt ihre Verwendung auf Einweg-Elektronik mit geringer Leistung.

AgO wird traditionell als instabil angesehen. Aber das AgO-Kathodenmaterial von ZPower stützt sich auf eine proprietäre Bleioxidbeschichtung, um die elektrochemische Stabilität und Leitfähigkeit von AgO zu verbessern.

Als ein zusätzlicher Vorteil ist die AgO-Zn-Chemie für die niedrige Impedanz der Batterie verantwortlich. Die gedruckten Stromkollektoren der Batterie haben ebenfalls eine ausgezeichnete Leitfähigkeit, was ebenfalls zu einer niedrigeren Impedanz beiträgt.

Verbesserte Herstellung

Aber AgO wurde bisher noch nie in einer Siebdruckbatterie verwendet, da es stark oxidativ ist und sich chemisch schnell abbaut. Durch das Testen verschiedener Lösungs- und Bindemittel konnten die Forscher im Labor von Wang an der UC San Diego eine Farbformulierung finden, die AgO für den Druck geeignet macht. Dadurch kann die Batterie nach der Vorbereitung der Tinten in nur wenigen Sekunden gedruckt werden. Sie ist in nur wenigen Minuten trocken und einsatzbereit. Die Batterie könnte auch in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gedruckt werden, was die Geschwindigkeit erhöhen und die Herstellung skalierbar machen würde.

Die Batterien werden auf eine Polymerfolie gedruckt, die chemisch stabil und elastisch ist und einen hohen Schmelzpunkt hat (etwa 200 Grad C oder 400 Grad Fahrenheit), die heißversiegelt werden kann. Stromkollektoren, die Zinkanode, die AgO-Kathode und ihre entsprechenden Separatoren bilden jeweils eine gestapelte Siebdruckschicht.

Das Team arbeitet bereits an der nächsten Generation der Batterie und strebt billigere, schnellere Ladegeräte mit noch geringerer Impedanz an, die in 5G-Geräten und Soft-Robotik eingesetzt werden sollen, die eine hohe Leistung sowie anpassbare und flexible Formfaktoren erfordern.

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