Batteries imprimables flexibles : Densité énergétique 10× supérieure avec sérigraphie standard

La professeure Ying Shirley Meng et son équipe à l'UC San Diego ont développé un prototype fonctionnel de batterie flexible argent-zinc qui a une densité énergétique surfacique au moins dix fois supérieure à celle d'une batterie lithium-ion typique. Elle peut être fabriquée avec une technologie de sérigraphie standard dans un environnement ambiant normal.

Tech Briefs : Comment avez-vous eu l'idée de ce projet ?

Meng : J'ai un groupe indépendant depuis 2008 qui travaille sur les batteries lithium-ion. Certains utilisateurs de batteries ont commencé à demander si nous pouvions fabriquer des batteries flexibles, étirables, 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 comprendre comment fabriquer des batteries de n'importe quelle forme, étirables et flexibles. L'essor de l'IoT a particulièrement alimenté notre désir de développer une telle technologie.

Tech Briefs : Je suis curieux de savoir pourquoi il y a une si grande demande pour des batteries flexibles, pliables, étirables. Quelles sont certaines des applications ?

Meng : Ces dernières années, il y a eu pas mal d'applications. Un exemple est Fitbit — il y a beaucoup de dispositifs de surveillance de santé. De nombreux capteurs, biosenseurs, sont déjà implémentés dans les vêtements ou sur les appareils mobiles, mais ils sontmostly 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 étirable, pliable parce que les gens veulent les porter, mais ne veulent pas sentir des batteries encombrantes.

Un bon exemple à envisager comme produit de première génération est que le bracelet de l'Apple Watch ou du Fitbit pourrait être une batterie. Aussi, certaines personnes pourraient vouloir porter un bandeau avec un biosenseur intégré. S'il contenait aussi une batterie, les données du capteur pourraient être transmises directement à une application. Beaucoup d'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 maintenant. Les entreprises d'habillement sont intéressées ; et l'industrie de la défense est intéressée car les militaires veulent que leur personnel soit en pleine forme. Par conséquent, leurs signaux corporels sont constamment surveillés, donc avoir des dispositifs d'alimentation souples et flexibles avec une haute puissance et une haute performance est vraiment important.

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

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

Tech Briefs : Et comme vous l'avez dit, cela le rend inconfortable car c'est rigide. Quel genre de capacité parlez-vous en milliampères-heures ? Combien de temps peut-il fonctionner avant d'avoir besoin de 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 supérieur à la capacité d'une batterie lithium.

Tech Briefs : Et 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 la vôtre ne l'exige pas. Comment y parvenez-vous ?

Meng : Nous nous sommes éloignés de la chimie lithium. Nous utilisons des batteries à base de zinc, donc les ions qui sont transportés sont des ions 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 des biosenseurs imprimables afin de produire en masse nos batteries flexibles. La réduction des coûts ici est très significative avec ce type de processus de fabrication.

Tech Briefs : Avez-vous étudié la mise à l'échelle du processus de production de l'encre ?

Meng : Nous avons un partenaire industriel majeur qui co-développe cela avec nous. Donc, pour l'étape suivante, ils envisagent la mise à l'échelle. Nous avons parlé de dizaines de millions en ventes, basées sur nos projections des demandes de l'industrie. Donc, nous avons une courbe d'apprentissage très raide — pour l'instant, 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 collecteur de courant. 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 que nous pourrons aussi les imprimer.

Tech Briefs : Vous avez dit que l'économie de sa production sera très bonne finalement.

Meng : La seule préoccupation que nous avons est le prix de l'argent. Mais ces batteries seront recyclées, donc nous espérons que l'argent utilisé sera éventuellement en boucle fermée. Nous pouvons recycler plus de 90 % de tous les matériaux, en particulier l'oxyde d'argent sur la cathode. Nous faisons un travail de suivi sur la scalabilité et l'analyse techno-économique de cette chimie.

Tech Briefs : Comment la forme et la taille de votre batterie se comparent-elles au lithium-ion ?

Meng : Notre forme est en fait sur mesure pour l'instant. Nous avons fait 2 x 2 cm, 1 x 5, 2 x 5 et 3 x 3. Donc, nous pouvons faire des cellules multidimensionnelles et aussi 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 énergétique que les piles bouton mais garder la flexibilité. Beaucoup de clients veulent une forme allongée, vous savez, comme 1 x 5 pour un bracelet.

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

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

Meng : Ensuite, nous publierons la première version non rechargeable. La deuxième génération sera rechargeable pour 300 cycles. Pour celles-ci, la densité énergétique baissera un peu, mais il y a différentes exigences pour les batteries rechargeables. Nous l'avons démontré dans une petite cellule au laboratoire, mais maintenant nous devons le démontrer dans les cellules réellement imprimées.

Je pense que le principal goulot d'étranglement est la mise à l'échelle. De dizaines de cellules à en faire des milliers — c'est une étape très critique.

Tech Briefs : Avez-vous une idée du calendrier pour la commercialisation ?

Meng : Nous espérons que le produit sera prêt dans environ deux ans. Quant à la demande, elle est quelque peu liée à la croissance de l'IoT, par exemple, les véhicules autonomes. La voiture doit parler à tout, n'est-ce pas ? 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 de santé personnalisée. De mon point de vue de scientifique, je pense que cela aurait déjà dû se produire. Les gens devraient pouvoir utiliser leurs téléphones portables pour lire immédiatement le taux de sucre dans le sang, par exemple. Pour le Covid, nous devrions pouvoir nous auto-surveiller. Mais je vois que dans le futur, la plupart des choses : infrastructures, bâtiments, tout, seront étiquetées avec des capteurs et des batteries.

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

Tech Briefs : Et puis pouvoir transmettre cette information directement à votre médecin.

Meng : Oui, votre médecin et aussi 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 éditée de cette interview est parue dans le numéro de mars 2021 de Tech Briefs.