Question et réponse : Batteries flexibles imprimables

Le professeur Ying Shirley Meng et son équipe de l'UC San Diego ont développé un prototype fonctionnel d'une batterie flexible à l'oxyde d'argent et au zinc qui a au moins dix fois la densité d'énergie surfacique d'une batterie lithium-ion typique. Il peut être fabriqué avec une technologie de sérigraphie standard dans un environnement de pièce normal.

Tech Briefs :Comment vous est venue l'idée de ce projet ?

Meng : J'ai un groupe indépendant depuis 2008 qui travaille sur les batteries lithium-ion. Certaines personnes utilisant des batteries ont commencé à demander si nous pouvions fabriquer des batteries flexibles, extensibles et à haute énergie. Il y a toujours eu une demande pour des applications où le lithium-ion serait difficile à utiliser. Et il y a toujours eu des problèmes liés à la chimie lithium-ion.

Mon collègue, le professeur Joseph Wong, est un spécialiste de l'électronique imprimable et nous avons commencé à penser que les deux disciplines pourraient travailler ensemble pour trouver comment fabriquer des batteries de n'importe quelle forme et être extensibles et flexibles. L'essor de l'IoT a particulièrement alimenté notre volonté de développer une telle technologie.

Tech Briefs :Je suis curieux de savoir pourquoi il y a une telle demande pour des batteries extensibles flexibles et pliables. Quelles sont certaines des applications ?

Meng : Ces dernières années, il y a eu pas mal d'applications. Un exemple est Fitbit - il existe de nombreux appareils de surveillance de la santé. De nombreux capteurs, des biocapteurs, sont déjà implémentés dans des vêtements ou sur des appareils mobiles, mais ils sont pour la plupart sous forme rigide. Ils sont portables, mais vous êtes conscient de les porter. Les batteries sont souvent le facteur limitant. Je pense que nous avons besoin d'une batterie extensible et pliable parce que les gens veulent les porter, mais ne veulent pas sentir des batteries encombrantes.

Un bon exemple à considérer comme un produit de première génération est que le bracelet de l'Apple Watch ou du Fitbit pourrait être une batterie. De plus, certaines personnes pourraient vouloir porter un bandeau avec un biocapteur intégré. S'il contenait également une batterie, les données du capteur pourraient être directement transmises à une application. De nombreuses informations biométriques pourraient être obtenues sur l'état de votre santé en surveillant votre sueur et votre salive.

Ce sont les sujets de recherche très excitants sur lesquels nous travaillons actuellement. Les entreprises de confection sont intéressées; et l'industrie de la défense est intéressée parce que l'armée veut que son personnel soit en parfait état. En conséquence, leurs signaux corporels sont constamment surveillés, il est donc très important d'avoir des appareils électriques souples et flexibles avec une puissance élevée et des performances élevées.

Tech Briefs :Je pense que la partie capteur n'a pas besoin d'une puissance aussi élevée, mais je suppose que la transmission du signal en a besoin.

Meng : C'est vrai, la plupart des capteurs n'ont pas besoin d'une puissance élevée, mais vous avez besoin de quelque chose pour lire les signaux et les transmettre à un téléphone ou à un appareil Bluetooth, par exemple. Bien sûr, vous pouvez utiliser une pile bouton à boîtier rigide, mais l'appareil n'aura pas l'air très cool.

Tech Briefs :Et comme vous l'avez dit, cela le rend inconfortable parce qu'il est rigide. De quel type de capacité parlez-vous en milliampères-heures ? Combien de temps peut-il fonctionner avant de devoir le recharger ?

Meng : Notre batterie actuelle, qui n'est pas rechargeable, a une capacité d'environ 100 mW-heure par centimètre carré. C'est quelques fois plus élevé que la capacité de la batterie au lithium.

Tech Briefs :Qu'en est-il de la durée de vie de votre batterie par rapport au lithium ?

Meng : Nous faisons deux ou trois fois mieux que la durée de fonctionnement d'une pile bouton lithium-ion typique.

Tech Briefs :Vous avez dit que normalement, les batteries flexibles doivent être produites dans des conditions stériles sous vide, mais ce n'est pas le cas pour vous. Comment pouvez-vous y parvenir ?

Meng : Nous sommes restés à l'écart de la chimie du lithium. Nous utilisons des batteries à base de zinc, donc les ions qui sont transportés sont des ions de zinc. C'est une chimie bénigne qui peut être produite dans des conditions ambiantes. Cela nous permet d'utiliser la sérigraphie plutôt qu'une méthode sous vide. C'est une méthode que nous avons adoptée à partir de biocapteurs imprimables afin de produire en masse nos batteries flexibles. La réduction des coûts est ici très importante avec ce type de procédé de fabrication.

Tech Briefs :Avez-vous envisagé d'intensifier le processus de production de l'encre ?

Meng : Nous avons un partenaire industriel majeur qui co-développe cela avec nous. Donc, pour la prochaine étape, ils envisagent la mise à l'échelle. Nous avons parlé de dizaines de millions de ventes, sur la base de nos projections des demandes de l'industrie. Nous avons donc une courbe d'apprentissage très abrupte ; en ce moment, la batterie est fabriquée à la main par des étudiants dans notre laboratoire ; nous devons automatiser l'ensemble du processus, y compris l'impression.

Tech Briefs :Dans la description que j'ai lue, il est question d'un collectionneur actuel. Qu'est-ce que c'est ?

Meng : Les collecteurs de courant sont des languettes positives et négatives pour se connecter à la sortie de la batterie. Nous pensons pouvoir également les imprimer.

Fiches techniques : Vous avez dit que l'économie de sa production serait finalement très bonne.

Meng : La seule préoccupation que nous avons est le prix de l'argent. Mais ces piles seront recyclées, nous espérons donc que l'argent utilisé finira par être un circuit fermé. Nous pouvons recycler à plus de 90% tous les matériaux, en particulier l'oxyde d'argent sur la cathode. Nous faisons un travail de suivi sur l'évolutivité et l'analyse technico-économique de cette chimie.

Fiches techniques : Comment la forme et la taille de votre batterie se compareraient-elles au lithium-ion ?

Meng : Notre forme est en fait faite sur mesure en ce moment. Nous avons fait 2 x 2 cm, 1 x 5, 2 x 5 et 3 x 3. Ainsi, nous pouvons créer des cellules multidimensionnelles, puis les empiler. En impression, il est facile d'empiler des couches pour construire la tension. En principe avec la même surface, si je fais de l'impression multicouche, je peux atteindre la même densité d'énergie que les piles boutons mais j'ai toujours de la flexibilité. De nombreux clients veulent une forme allongée, vous savez, comme 1 x 5 pour un bracelet.

Tout cela se trouve dans une feuille de calcul de conception. Vous pouvez brancher l'énergie dont vous avez besoin, ainsi que les conditions d'impression. Ainsi, par exemple, si vous concevez une source d'énergie de patch 5 x 5, à une certaine densité d'énergie, nous pouvons l'imprimer sur mesure. L'impression est facile à régler.

Tech Briefs :Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche ?

Meng : Ensuite, nous publierons la version non rechargeable de première génération. La deuxième génération sera rechargeable pendant 300 cycles. pour ceux-ci, la densité d'énergie diminuera un peu, mais il existe différentes exigences pour les piles rechargeables. Nous l'avons démontré dans une petite cellule en laboratoire, mais nous devons maintenant le démontrer dans les cellules imprimées réelles.

Je pense que le principal goulot d'étranglement est la mise à l'échelle. Passer de dizaines de cellules à la fabrication de milliers – c'est une étape cruciale.

Fiches techniques : Avez-vous une idée du calendrier de commercialisation ?

Meng : Nous espérons que le produit sera prêt dans environ deux ans. En ce qui concerne la demande, elle est quelque peu liée à la croissance de l'IoT, par exemple des véhicules autonomes. La voiture doit parler à tout, non ? Piétons, arbres, bâtiments, tout doit être communiqué pour que vous sachiez où tout se trouve. J'aurais prédit que cela aurait déjà dû se produire, mais vous savez que ces choses ne se sont pas encore produites.

L'autre chose est l'IoT pour la surveillance personnalisée de la santé. De mon point de vue scientifique, je pense que cela aurait déjà dû se produire. Les gens devraient pouvoir utiliser leur téléphone portable pour lire immédiatement le taux de sucre dans le sang, par exemple. Pour Covid, nous devrions pouvoir nous auto-surveiller. Mais je vois qu'à l'avenir, la plupart des choses :les infrastructures, les bâtiments, tout, seront étiquetés avec des capteurs et des batteries.

Je pense que la télésanté est un domaine vraiment important maintenant. Nous avons le coronavirus, c'est donc l'un de nos principaux moteurs. J'ai dit à mes étudiants que c'est vraiment important parce que je pense que le coronavirus sera avec nous pendant très longtemps, donc chaque personne a la responsabilité de surveiller son propre niveau de santé. Actuellement, des capteurs sont en cours de développement, y compris pour la détection de virus, qui nécessitent des sources d'alimentation très fiables.

Fiches techniques : Et pouvoir ensuite transmettre ces informations directement à votre médecin.

Meng : Oui, votre médecin ainsi que les responsables de la santé publique doivent savoir si une personne est infectée. Pas pour envahir votre vie privée, mais vous devez le faire pour garder les choses sous contrôle.

Une version modifiée de cette interview a été publiée dans le numéro de mars 2021 de Tech Briefs.