Группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали экспериментальный образец гибкого аккумулятора, состоящего из цинка и оксида серебра. Он имеет энергетическую плотность в 5─10 раз больше, чем у современных литиевых аккумуляторных элементов. К тому же, по этой технологии аккумулятор проще изготавливать. Если большинство гибких аккумуляторных батарей требуется производить в условиях стерильности (в вакууме), то этот экземпляр можно воспроизвести в стандартных лабораторных условиях. Он может использоваться в гибких электронных устройствах, а также в робототехнике с мягкими гибкими комплектующими.
От гибкой аккумуляторной батареи, систему с микроконтроллером и модулем Bluetooth. Фото: Калифорнийский университет в Сан-Диего
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и представители компании ZPower на днях написали о результатах эксперимента и своих выводах в журнале Joule. Один из соавторов отметил, что новые батареи могут быть сконструированы на базе электроники под конкретное устройство.
Ёмкость созданного аккумулятора составляет 50 миллиампер на квадратный сантиметр при комнатной температуре. По их оценкам это в 10─20 раз больше, чем ёмкость типовой литий-ионные батареи. Поэтому при той же площади поверхности новый образец обеспечивает в 5─10 раз большую мощность. Авторы разработки говорят, что технология производства доступна и масштабируема.
Ёмкость новинки, которая значительно больше любых существующих гибких аккумуляторов, исследователи объясняют низким сопротивлением электрической цепи. Чем оно ниже, тем лучше аккумулятор подходит для разряда большими токами. В качестве основного направления использования называется рынок устройств 5G и концепция «Интернет Вещей» (Internet of Things (IoT)). По мнению авторов технологии, аккумуляторная батарея будет конкурентоспособной для использования в беспроводных устройствах, требующих от источника питания больших разрядных токов.
В проведенном эксперименте аккумулятор успешно обеспечивал питанием гибкую систему отображения, в составе которой работает микроконтроллер и модуль Bluetooth. По заявлению исследователей, аккумулятор показал значительно лучшие параметры, чем другие литиевые батареи, имеющиеся в продаже.
Фото: Калифорнийский университет Сан-Диего
Новые аккумуляторные элементы прошли больше 80 циклов заряда и разряда без потери ёмкости. Несмотря на многократное скручивание и изгиб, функциональность элементов не нарушалась. Один из авторов статьи также отметил, что среди главных задач было улучшение не только параметров АКБ, но и технологии производства.
При создании новинки была использована запатентованная конструкция катода и химия производства компании ZPower.
В чём причина увеличенной ёмкости и мощности?
По мнению авторов новой разработки, исключительная энергетическая плотность аккумулятора обусловливается электрохимической системой. Это AgO-Zn. В большинстве коммерческих образцов гибких аккумуляторных батарей используется система Ag2O-Zn. Из-за этого они имеют ограниченный срок эксплуатации и небольшую производительность. Поэтому применяются только в маломощной электроники.
Проблема AgO заключается в том, что это соединение считается нестабильным. ZPower использовали в качестве катодного материала AgO с покрытием из оксида свинца, который улучшает проводимость и электрохимическую стабильность AgO. К плюсам состава AgO-Zn исследователи также относят обеспечение низкого сопротивления батареи. Этому же способствуют печатные токосъёмники, имеющие отличную проводимость.
Усовершенствованная технология производства
AgO до этого не применялся в аккумуляторных батареях с трафаретной печатью. Это объясняется высокой окислительной способностью этого соединения, а также его быстрым химическим разложением. В результате проведенных исследований в Калифорнийском университете специалисты нашли состав чернил, которой обеспечивает пригодность AgO для печати. Поэтому теперь аккумулятор можно напечатать всего за несколько секунд после того, как чернила будут подготовлены. Затем он высыхает и можно использовать уже через несколько минут. Есть возможность сделать батарею в процессе рулонной печати. Это значительно быстрее и позволяет масштабировать производство.
Гибкий аккумулятор печатается на полимерной пленке, которая эластична и имеет высокую температуру плавления (около 200 С). При нагревании она может быть запечатана. В качестве токосъёмников используется анод из цинка и катод из AgO, а также соответствующие им сепараторы. Всё это делается в виде слоя с трафаретной печатью.
В настоящее время команда исследователей дорабатывает аккумулятор будущего поколения. Среди целей стоит получение более дешевых и более мощных источников тока, которые будут применяться в электронике 5G и «мягкой» робототехнике. Основными параметрами, над которыми работают, это высокая мощность, а также возможность более гибкого настраивания форм-факторов.