导读


最近,美国加州大学圣地亚哥分校开发出了首个可充电的锌电池,它具有柔性、可伸缩、可印刷等等特点。未来,这种电池有望应用于穿戴设备、传感器和其他电子设备。


关键字

电池柔性电子印刷电子可穿戴设备

背景

电池,一直都是影响可穿戴设备、智能手机、智能硬件等消费类电子产品性能的关键瓶颈。然而,笔者一直都在关注取代电池的“自供电”方案,例如:



(图片来源于:乔治亚理工学院)

(图片来源于:密歇根州立大学)


(图片来源于:Islam Mosa/康涅狄格大学 、Maher El-Kady/加州大学洛杉矶分校)

虽然,“自供电”技术未来将有着十分美好的前景,但是这方面的技术大多数还处于实验室阶段,离量产和商业化还有一段距离。目前,市场上绝大多数的可穿戴设备和消费电子产品,仍然是依靠电池供电。


所以,让我们重新聚焦于电池相关的创新,这里先回顾一下笔者以前介绍过的几个有意思的例子:


(图片来源于:Seokheun



(图片来源于:J. Rogers,伊利诺伊大学)



(图片来源于: ETH Zurich / Fabio Bergamin)

从上面的这几个例子中可以看出,电池技术的发展也呈现出更加安全、更加柔性、更加轻薄、充电方式更加多样化的特点。


创新


然而,我们今天要介绍的正是一项电池相关的创新技术,由美国加州大学圣地亚哥分校开发。这种可充电的锌电池,具有柔性、可伸缩、可印刷等等特点,进一步体现出电池技术发展的一些前沿趋势。


这项研究的论文于4月19日发表于《先进能源材料》期刊。


(图片来源于:加州大学圣地亚哥分校


技术


下面,我们通过一些大家共同关心的问题,从技术方面解释一下,这款创新型电池是如何具备柔性、可印刷、可充电等特点的。


  • 如何做到柔性和可伸缩?


回答这个问题,还是要从研究人员所采用的材料说起,他们集成了一种超弹性的高分子材料,这种材料由异戊二烯聚苯乙烯制成。异戊二烯是橡胶的主要成分之一,聚苯乙烯则是一种类似树脂的成分。这种物质称为 (SIS) ,它可以让电池可以伸展至平常尺寸的两倍,而且是向任意方向,不会带来任何损伤。

  • 如何做到可印刷?


首先,我们从印刷这种电池的墨水说起,这种墨水由锌氧化银(Zn-Ag2O)混合SIS制成。同时在电池制造方面,他们采用了标准的丝网印刷技术,这项技术可以大幅降低成本。这种新型电池的材料花费仅仅只有0.5美元,相对于而言,而市场可买到的充电电池需要花费5美元。


这种电池可直接在纤维或者其他可粘贴在皮肤上的材料上进行印刷。它们可印刷成带状,并且性能稳定,可以佩戴较长时间。


  • 如何做到可充电?

锌电池,作为商用产品已经有很长时间了,但是通常是不可充电的。那么,研究人员又是如何改变这一现状的呢?仍然是因为他们采用了一种新材料,他们在电池中加入了一种关键的成分:氧化铋

当这种成分加入锌电极时,会延长电池寿命,让它变得可充电。在锌电池中加入氧化铋,是一种用于提高性能的工业标准作法。但是,目前为止,还没有科学解释能完整地说清楚这是为什么。


去年,Y. Shirley
Meng
教授带领加州大学圣地亚哥分校
的纳米工程师,发表了一篇很详细的分子学论文,研究并解释了这一问题。


(图片来源于:参考资料【3】)


当锌电池放电时,电极会和电池内部的液体电解质发生反应,产生溶解于溶液中的锌盐。这最终将会导致电池内部的电路短路。添加氧化铋,能够防止电极的锌流失到电解液中,这将保证电池能够持续稳定工作,并且可再充电。

加州大学圣地亚哥分校的可持续能源和能源中心的主任 Meng 这么说:


“理解这么做的科学基础,让我们可以将非充电电池变成充电电池,不仅是适用于锌电池,也适用于其他电化学物质,例如锂氧。”

总结一下,这款电池之所以能够变得柔性、可印刷、可充电,离不开一些列新材料的应用,它们不仅改善了电池的性能,而且降低了成本。


价值


(图片来源于:加州大学圣地亚哥分校


对于这项研究的价值,我们先来听听论文的高级作者之一、加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的纳米工程教授 Joseph Wang 的说法:


“这是迈向可伸缩的电子设备过程中,具有标志性的一步。我们希望这项技术能够铺设一条道路,改善其他形式的能源存储以及可印刷、可伸缩的电子设备,不仅仅是适用于锌电池,也可以适用于锂离子电池,同样还可以适用于超级电容和光电池。”


虽然,这种原型电池差不多只有助听器的可充电电池容量的1/5,但是厚度却只有1/10,而且更加廉价,采用的材料也是是市场上可以购买到的。


另外,研究人员一直在致力于提高电池性能,下一步包括拓展这项技术的应用领域,例如太阳能电池和燃料电池,以及利用这种电池为各式各样的电子设备供电。


商业化

之前,笔者介绍过很多前沿创新技术,不少朋友都对于创新技术的商业化感到兴趣。那么,我们就通过这项创新技术,看看研究人员们是怎么做的,或许可以为大家带来一些启发。


这篇论文的合著第一作者、雅各布工程学院的纳米工程专业博士生 Rajan Kumar 和纳米工程专业的王(音译)教授,正在领导团队对于这项创新进行商业化。他们的项目是入选加州大学圣地亚哥分校新技术加速器的五个项目之一。该技术加速器,由加州大学圣地亚哥分校全球企业家协会运行。

Kumar 获取了5万美元的资金,以继续完善这一技术原型,用于与战略伙伴之间进行原型测试,以及创业指导。Kumar 对于团队的创新成果感到很有信心,因为将来薄膜、可伸缩的电池将取代硬币式的电池。他认为采取正确的战略举措,对于商用化成功来说犹为关键。他说:“现在是要确保我们的战略在正确的方向上。”


除了IGE技术加速器,团队还也参与了NSF Innovation-Corps (I-Corps) 项目,这个项目也由全球企业家协会管理。 I-Corps 项目中一个重要原则就是,帮助创业团队在早期商业化的过程中,确认目标市场和商业模式。例如,通过 NSF I-CorpsKumar 已经开始与潜在的客户接触,而这些客户可以帮助他们的团队更好的专注于商业化策略。


在这些项目的帮助下,Kumar 正带领团队跨越一些列的里程碑,更好地定位他们的创新。

参考资料


【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2220

【2】Rajan Kumar, Jaewook Shin, Lu Yin, Jung-Min You, Prof. Shirley Meng and
Prof. Joseph Wang, Department of Nanoengineering, Jacobs School of
Engineering, University of California San Diego. All-Printed, Stretchable Zn-Ag₂O Rechargeable Battery via Hyperelastic
Binder for Self-Powering Wearable Electronics”  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201602096/full

【3】http://smeng.ucsd.edu/wp-content/uploads/Deposition-of-ZnO-on-bismuth-species-towards-a-rechargeable-Zn-based-aqueous-battery1.pdf



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新型柔性电池:低成本、可印刷、有望应用于可穿戴设备!
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