柔性可印刷电池：标准丝网印刷实现10倍能量密度

加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng教授团队开发出一种柔性氧化银-锌电池工作原型，其面积能量密度至少是典型锂离子电池的10倍。且可在常温常压环境下用标准丝网印刷技术制造。

Tech Briefs：这个项目灵感从何而来？

Meng： 我自2008年起领导独立小组研究锂离子电池。一些电池用户开始询问能否制造柔性、可拉伸、高能量电池。总存在锂离子难以应用的场景，且锂离子化学始终有相关问题。

我同事Joseph Wong教授从事可印刷电子，我们开始思考两个学科能否合作，解决如何制造任意形状、可拉伸柔性的电池。物联网的兴起特别推动了我们开发此类技术的渴望。

Tech Briefs：为什么对柔性、可弯曲拉伸电池有如此大需求？有哪些应用？

Meng： 近年出现不少应用。如Fitbit等大量健康监测设备。许多传感器、生物传感器已植入衣物或移动设备，但多为刚性形式。虽可穿戴，但你能感觉到佩戴存在。电池常是限制因素。我认为我们需要可拉伸弯曲电池，因为人们想穿戴但不想感觉笨重电池。

一个好的首代产品例子是Apple Watch或Fitbit的表带可做成电池。也有人想戴集成生物传感器的头带。若也含电池，传感器数据可直接传输至App。通过监测汗液和唾液可获取大量生物特征健康信息。

这些是我们正在研究的非常激动人心的课题。服装公司感兴趣；国防工业也感兴趣，因军方希望人员保持最佳状态，持续监测体征，故拥有柔软灵活、高功率高性能电源设备至关重要。

Tech Briefs：我认为传感器部分不需要如此高功率，但传输信号大概需要。

Meng： 正确，大多数传感器不需高功率，但你需要读取信号并传输至手机或蓝牙设备等。当然可用硬壳纽扣电池，但设备外观不酷。

Tech Briefs：正如你说的，因硬质不舒服。你们电池容量多少毫安时？充电前能运行多久？

Meng： 我们目前电池不可充电，容量约100 mW-hour/平方厘米。比锂电池容量高几倍。

Tech Briefs：电池寿命对比锂电如何？

Meng： 运行时长比典型锂离子纽扣电池好两三倍。

Tech Briefs：你说通常柔性电池需在无菌真空条件下生产，但你们不需要。如何做到的？

Meng： 我们避开锂化学。使用锌基电池，传输离子为锌离子。这是良性化学，可在环境条件下生产。这让我们能用丝网印刷而非真空法。这是从可印刷生物传感器采用的方法，以大规模生产柔性电池。这种制造工艺成本降低非常显著。

Tech Briefs：是否研究过油墨生产工艺放大？

Meng： 我们有主要工业合作伙伴共同开发。下一阶段他们考虑放大。基于行业需求预测，我们谈论数千万销售额。学习曲线极陡峭——目前电池由实验室学生手工制作——需实现包括印刷在内的全流程自动化。

Tech Briefs：描述中提到集流体。那是什么？

Meng： 集流体是连接电池输出端的正负极片。我们认为也能印刷它们。

Tech Briefs： 你说最终生产经济性很好。

Meng： 唯一担心是银价。但这些电池可回收，希望银最终形成闭环。我们可90%以上回收所有材料，特别是阴极氧化银。正在做可扩展性和技术经济分析后续工作。

Tech Briefs： 你们电池形状尺寸与锂离子相比如何？

Meng： 形状目前定制化。已做2x2cm、1x5、2x5、3x3。可制作多维电池并堆叠。印刷中易于堆叠层以提升电压。原则上同等面积下，多层印刷可达纽扣电池同等能量密度但保持柔性。许多客户想要细长形状，如1x5用于腕带。

这些都在设计电子表格中。可输入所需能量及印刷条件。例如设计5x5补丁能源，特定能量密度下可定制印刷。印刷易于调整。

Tech Briefs：研究下一步是什么？

Meng： 下一步发布首代不可充电版本。二代可充电300次，能量密度会略降，但可充电电池有不同要求。实验室小电池已演示，现在需在实际印刷电池中演示。

我认为主要瓶颈是放大。从几十个电池到制造数千个——这是极关键步骤。

Tech Briefs： 商业化时间表有概念吗？

Meng： 我们希望产品约两年准备好。需求方面与物联网增长相关，如自动驾驶汽车。汽车必须与一切对话——行人、树木、建筑，一切需通信以知晓位置。我本预测应已发生，但那些事尚未发生。

另一个是个性化健康监测物联网。我作为科学家认为这本该已发生。人们应能用手机即时读血糖等。新冠下应能自我监测。但我确实看到未来大多数事物：基础设施、建筑、一切，都将标记传感器和电池。

我认为远程医疗现在非常重要。有新冠病毒，这是主要驱动力之一。我告诉学生这很重要，因我认为新冠将长期共存，每人有责任监测自身健康水平。目前正开发包括病毒检测在内的传感器，需要极可靠电源。

Tech Briefs： 然后能直接传输信息给医生。

Meng： 是的，医生和公共卫生官员需知某人是否感染。非侵犯隐私，但为控制局势必须这样做。

本访谈编辑版刊登于2021年3月《Tech Briefs》期刊。