问答：可打印柔性电池

加州大学圣地亚哥分校的 Ying Shirley Meng 教授和她的团队开发了一种柔性氧化银锌电池的工作原型，其面积能量密度至少是典型锂离子电池的十倍。它可以在正常的房间环境中使用标准的丝网印刷技术制造。

技术简介：您是如何想到这个项目的？

孟： 自 2008 年以来，我有一个独立的小组致力于锂离子电池。一些使用电池的人开始询问我们是否可以制造灵活、可拉伸的高能电池。一直存在对锂离子难以使用的应用的需求。而且一直存在与锂离子化学有关的问题。

我的同事 Joseph Wong 教授是一名可印刷电子学专家，我们开始认为这两个学科可以合作研究如何制造任何形状、可拉伸和灵活的电池。物联网的兴起尤其激发了我们开发这种技术的愿望。

技术简报：我很好奇为什么对柔性、可弯曲的可拉伸电池的需求如此之大。有哪些应用程序？

孟： 近几年，应用也不少。一个例子是 Fitbit——有很多健康监测设备。许多传感器、生物传感器已经在服装或移动设备上实现，但它们大多是刚性形式。它们是可穿戴的，但你有意识地穿着它们。电池通常是限制因素。我认为我们需要一种可拉伸、可弯曲的电池，因为人们想佩戴它们，但又不想感觉电池笨重。

作为第一代产品的一个很好的例子是 Apple Watch 或 Fitbit 上的腕带可能是一块电池。此外，有些人可能想佩戴带有集成生物传感器的头带。如果它还包含电池，则传感器数据可以直接传输到应用程序。通过监测你的汗水和唾液，可以获得很多关于你健康状况的生物特征信息。

这些是我们现在正在研究的非常令人兴奋的研究课题。服装公司有兴趣；国防工业很感兴趣，因为军方希望他们的人民处于最佳状态。因此，他们的身体信号会不断受到监测，因此拥有柔软、灵活、大功率、高性能的电源设备非常重要。

技术简介：我认为传感器部分不需要这么高的功率，但我猜传输信号需要。

孟： 没错，大多数传感器不需要高功率，但你需要一些东西来读取信号并将它们传输到手机或蓝牙设备等。当然，您可以使用硬壳纽扣电池，但该设备看起来不会很酷。

技术简报：正如您所说，它让人不舒服，因为它很僵硬。你在说什么样的容量，以毫安小时为单位？它可以运行多长时间才需要充电？

孟： 我们目前的电池不可充电，容量约为每平方厘米 100 毫瓦时。比锂电池容量高几倍。

技术简介：电池与锂电池的寿命相比如何？

孟： 我们的续航时间比典型的锂离子纽扣电池好两到三倍。

技术简报：您曾说过，柔性电池通常必须在真空下的无菌条件下生产，但您的电池却没有。您如何做到这一点？

孟： 我们远离锂化学。我们使用锌基电池，因此传输的离子是锌离子。它是一种良性化学物质，可以在环境条件下产生。这使我们能够使用丝网印刷而不是真空方法。这是我们从可印刷的生物传感器中采用的一种方法，以便大规模生产我们的柔性电池。这种制造工艺的成本降低非常显着。

技术简介：您是否考虑扩大生产墨水的过程？

孟： 我们有一个主要的工业合作伙伴正在与我们共同开发这个。因此，对于下一阶段，他们正在考虑扩展。根据我们对行业需求的预测，我们一直在谈论数以千万计的销售额。所以，我们有一个非常陡峭的学习曲线——现在电池是由我们实验室的学生手工制作的——我们需要自动化整个过程，包括打印。

技术简介：在我读到的描述中，它谈到了集电器。那是什么？

孟： 集电器是用于连接电池输出的正极和负极接头。我们认为我们也将能够打印它们。

技术简介： 您说生产它的经济性最终会非常好。

孟： 我们唯一担心的是白银的价格。但是这些电池会被回收，所以我们希望使用的银最终会成为一个闭环。我们可以回收 90% 以上的所有材料，尤其是阴极上的氧化银。我们正在对这种化学物质的可扩展性和技术经济分析进行后续工作。

技术简介： 您的电池的形状和大小与锂离子电池相比如何？

孟： 我们的形状实际上是现在定制的。我们做了 2 x 2cm、1 x 5、2 x 5 和 3 x 3。所以，我们可以制作多维单元格，然后也可以将它们堆叠起来。在印刷中，很容易堆叠层来建立电压。原则上在相同面积的情况下，如果我进行多层打印，我可以达到与纽扣电池相同的能量密度，但仍然具有灵活性。许多客户想要一个细长的形状，你知道的，比如 1 x 5 的腕带。

这些都在设计电子表格中。您可以插入所需的能量以及打印条件。因此，例如，如果您正在设计一个 5 x 5 的贴片能源，在一定的能量密度下，我们可以定制打印它。印刷容易调整。

技术简介：您研究的下一步是什么？

孟： 接下来，我们将发布第一代不可充电版本。第二代可充电 300 次。对于那些，能量密度会下降一点，但对可充电电池有不同的要求。我们已经在实验室的一个小电池中进行了演示，但现在我们需要在实际打印的电池中进行演示。

我认为主要的瓶颈是扩展。从 10 个细胞到制造数千个细胞——这是非常关键的一步。

技术简介： 您知道将其商业化的时间表吗？

孟： 我们希望该产品将在大约两年内准备就绪。就需求而言，这在某种程度上与物联网的增长有关，例如自动驾驶汽车。汽车必须与一切对话，对吧？行人、树木、建筑物，一切都需要沟通，以便您知道一切在哪里。我原以为它应该已经发生了，但你知道那些事情还没有发生。

另一件事是用于个性化健康监测的物联网。从我的科学家的角度来看，我认为这应该已经发生了。例如，人们应该能够使用手机立即读取血糖水平。对于 Covid，我们应该能够自我监控。但我确实看到，未来大多数东西：基础设施、建筑物，一切都将被贴上传感器和电池的标签。

我认为远程医疗现在是一个非常重要的领域。我们有冠状病毒，所以这是我们的主要驱动力之一。我告诉我的学生这真的很重要，因为我认为冠状病毒会伴随我们很长时间，所以每个人都有责任监测自己的健康水平。目前正在开发传感器，包括用于病毒检测的传感器，需要非常可靠的电源。

技术简介： 然后能够将这些信息直接传送给您的医生。

孟： 是的，您的医生和公共卫生官员需要知道一个人是否被感染。不要侵犯您的隐私，但您需要这样做以控制事情。

本次采访的编辑版本出现在 2021 年 3 月的《技术简报》中。