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La nuova batteria è 10 volte più potente dello stato dell'arte, flessibile e ricaricabile

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia della batteria, nanotecnologia, UCSD, batteria ricaricabile
By UNIVERSITY OF CALIFORNIA - SAN DIEGO 7 DICEMBRE 2020



Le batterie hanno alimentato con successo un sistema di visualizzazione flessibile dotato di un microcontrollore e moduli Bluetooth. Anche in questo caso la batteria ha funzionato meglio delle celle a bottone Li disponibili in commercio. Credito: Università della California San Diego

Un team di ricercatori ha sviluppato una batteria flessibile e ricaricabile all'ossido di argento e zinco con una densità di energia areale da cinque a 10 volte maggiore rispetto allo stato dell'arte. La batteria è anche più facile da fabbricare; mentre la maggior parte delle batterie flessibili deve essere prodotta in condizioni sterili, sotto vuoto, questa può essere serigrafata in normali condizioni di laboratorio. Il dispositivo può essere utilizzato in elettronica flessibile ed estensibile per dispositivi indossabili e robotica morbida.

Il team, composto da ricercatori dell'Università della California di San Diego e della società ZPower con sede in California, descrive in dettaglio le loro scoperte nel numero del 7 dicembre 2020 della rivista Joule.

"Le nostre batterie possono essere progettate attorno all'elettronica, invece dell'elettronica necessaria per essere progettata attorno alle batterie", ha affermato Lu Yin, uno dei co-primi autori dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente nel gruppo di ricerca del professor Joseph Wang di nanoingegneria della UC San Diego.

La capacità dell'area di questa innovativa batteria è di 50 milliampere per centimetro quadrato a temperatura ambiente: è 10-20 volte maggiore della capacità dell'area di una tipica batteria agli ioni di litio. Quindi, a parità di superficie, la batteria descritta in Joule può fornire da 5 a 10 volte più potenza.

â€Questo tipo di capacità reale non è mai stato ottenuto prima†disse Yin. â€E il nostro metodo di produzione è conveniente e scalabile.â€



La capacità dell'area di questa innovativa batteria è di 50 milliampere per centimetro quadrato a temperatura ambiente: è 10-20 volte maggiore della capacità dell'area di una tipica batteria agli ioni di litio. Quindi, a parità di superficie, la batteria descritta in Joule può fornire da 5 a 10 volte più potenza. Credito: Università della California San Diego

La nuova batteria ha una capacità maggiore rispetto a qualsiasi delle batterie flessibili attualmente disponibili sul mercato. Questo perché la batteria ha un'impedenza molto più bassa, la resistenza di un circuito elettrico o di un dispositivo alla corrente alternativa. Minore è l'impedenza, migliori sono le prestazioni della batteria contro la scarica di corrente elevata.

"Poiché il mercato del 5G e dell'Internet of Things (IoT) cresce rapidamente, questa batteria che supera i prodotti commerciali nei dispositivi wireless ad alta corrente sarà probabilmente uno dei principali contendenti come fonte di energia di prossima generazione per l'elettronica di consumo", ha affermato Jonathan Scharf, co-primo autore dell'articolo e un dottorato di ricerca. candidato nel gruppo di ricerca del professor Ying Shirley Meng di nanoingegneria della UC San Diego.

Le batterie hanno alimentato con successo un sistema di visualizzazione flessibile dotato di un microcontrollore e moduli Bluetooth. Anche in questo caso la batteria ha funzionato meglio delle celle a bottone Li disponibili in commercio.

Le celle della batteria stampate sono state ricaricate per più di 80 cicli, senza mostrare grandi segni di perdita di capacità. Anche le cellule sono rimaste funzionali nonostante ripetute piegature e torsioni.

"Il nostro obiettivo principale era migliorare sia le prestazioni della batteria che il processo di produzione", ha affermato Ying Shirley Meng, direttore dell'Istituto UC San Diego per la scoperta e il design dei materiali e uno degli autori corrispondenti del documento.

Per creare la batteria, i ricercatori hanno utilizzato un design catodico proprietario e una chimica di ZPower. Wang e il suo team hanno contribuito con la loro esperienza in sensori stampabili ed estensibili e batterie estensibili. Meng e i suoi colleghi hanno fornito la loro esperienza nella caratterizzazione avanzata per i sistemi di accumulo di energia elettrochimica e hanno caratterizzato ogni iterazione del prototipo della batteria fino a raggiungere le massime prestazioni.

La ricetta per prestazioni migliori

L'eccezionale densità di energia della batteria è dovuta alla sua chimica ossido-zinco d'argento (AgO-Zn). La maggior parte delle batterie flessibili commerciali utilizza una chimica Ag2O-Zn. Di conseguenza, di solito hanno una durata del ciclo limitata e una bassa capacità. Ciò limita il loro uso a dispositivi elettronici usa e getta a bassa potenza.

AgO è tradizionalmente considerato instabile. Ma il materiale del catodo AgO di ZPower si basa su un rivestimento proprietario di ossido di piombo per migliorare la stabilità elettrochimica e la conduttività di AgO.

Come ulteriore vantaggio, la chimica AgO-Zn è responsabile della bassa impedenza della batteria. I collettori di corrente stampati della batteria hanno anche un'eccellente conduttività, che aiuta anche a ottenere un'impedenza inferiore.

Produzione migliorata

Ma AgO non era mai stato utilizzato in una batteria serigrafata prima, perché è altamente ossidante e si degrada chimicamente rapidamente. Testando vari solventi e leganti, i ricercatori del laboratorio di Wang alla UC San Diego sono stati in grado di trovare una formulazione di inchiostro che rende AgO praticabile per la stampa. Di conseguenza, la batteria può essere stampata in pochi secondi una volta preparati gli inchiostri. È asciutto e pronto all'uso in pochi minuti. La batteria potrebbe anche essere stampata in un processo roll-to-roll, che aumenterebbe la velocità e renderebbe scalabile la produzione.

Le batterie sono stampate su un film polimerico che è chimicamente stabile, elastico e ha un alto punto di fusione (circa 200 gradi C o 400 gradi Fahrenheit) che può essere termosaldato. I collettori di corrente, l'anodo di zinco, il catodo di AgO e i loro corrispondenti separatori costituiscono ciascuno uno strato serigrafato sovrapposto.

Il team è già al lavoro sulla prossima generazione della batteria, puntando a dispositivi di ricarica più economici e veloci con un'impedenza ancora più bassa che verrebbero utilizzati nei dispositivi 5G e nella robotica morbida che richiedono elevata potenza e fattori di forma personalizzabili e flessibili.

Riferimento: "Batteria ricaricabile AgO-Zn stampata ad alte prestazioni per elettronica flessibile" di Lu Yin, Jonathan Scharf, Jessica Ma, Jean-Marie Doux, Christopher Redquest, Viet L. Le, Yijie Yin, Jeff Ortega, Xia Wei, Joseph Wang e Ying Shirley Meng, 7 dicembre 2020, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.008