10-mal leistungsfähigere, flexible, wiederaufladbare Batterie

Silberoxid-Zink-Batterie, im Siebdruckverfahren herstellbar

Ein Forscherteam der University of California San Diego und der in Kalifornien ansässigen Firma ZPower hat – so eine Medienmitteilung vom 07.12.2020 – eine flexible, wiederaufladbare Silberoxid-Zink-Batterie entwickelt, deren flächenbezogene Energiedichte fünf- bis zehnmal höher als der Stand der Technik ist. Die Batterie ist auch einfacher herzustellen; während die meisten flexiblen Batterien unter sterilen Bedingungen, unter Vakuum, hergestellt werden müssen, kann diese hier unter normalen Laborbedingungen im Siebdruckverfahren hergestellt werden. Das Gerät kann sowohl in flexibler, dehnbarer Elektronik für Wearables als auch in der Soft-Robotik eingesetzt werden.

Flexible Batteriezelle – Foto © ucsdnews.ucsd.edu

Die flächige Kapazität dieser innovativen Batterie beträgt bei Raumtemperatur 50 mA/cm2 – 10-20 mal größer als die flächige Kapazität einer typischen Lithium-Ionen-Batterie. Bei gleicher Fläche kann die am 07.12.2020 in Joule beschriebene Batterie also 5 bis 10 Mal mehr Strom liefern.

Lu Yin, einer der Co-Erstautoren des Papiers  und Doktorand in der Forschungsgruppe des Nanoengineering-Professors Joseph Wang von der UC San Diego: “Unsere Batterien können um die Elektronik herum konstruiert werden, statt dass die Elektronik um die Batterien herum konstruiert werden muss. Diese Art von Flächenkapazität wurde noch nie zuvor erreicht”, sagte Yin. “Und unsere Herstellungsmethode ist erschwinglich und skalierbar.”

Die neue Batterie hat eine höhere Kapazität als alle derzeit auf dem Markt erhältlichen flexiblen Batterien. Das liegt daran, dass die Batterie eine viel geringere Impedanz hat – der Widerstand eines elektrischen Schaltkreises oder Geräts gegenüber einem anderen Strom. Je niedriger die Impedanz ist, desto besser ist die Leistung der Batterie bei hohen Stromentladungen.

“Da der Markt für 5G und das Internet der Dinge (IoT) schnell wächst, wird diese Batterie, die kommerzielle Produkte bei drahtlosen Hochstromgeräten übertrifft, wahrscheinlich ein Hauptanwärter als Stromquelle der nächsten Generation für die Unterhaltungselektronik sein”, sagte Jonathan Scharf, Co-Erstautor des Papiers und Doktorand in der Forschungsgruppe der Nanoengineering-Professorin Ying Shirley Meng, Direktorin des UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design und eine der korrespondierenden Autorinnen der Arbeit..

Die Batterien versorgten erfolgreich ein flexibles Display-System, das mit einem Mikrocontroller und Bluetooth-Modulen ausgestattet war. Auch hier schnitt der Akku besser ab als kommerziell erhältliche Li-Knopfzellen. Die gedruckten Akkuzellen wurden mehr als 80 Zyklen lang aufgeladen, ohne größere Anzeichen von Kapazitätsverlusten zu zeigen. Auch bei wiederholtem Biegen und Verdrehen blieben die Zellen funktionsfähig. “Unser Hauptaugenmerk lag darauf, sowohl die Batterieleistung als auch den Herstellungsprozess zu verbessern”, so Meng.

Zur Herstellung der Batterie verwendeten die Forscher ein proprietäres Kathodendesign und eine Chemie von ZPower. Wang und sein Team steuerten ihre Expertise in druckbaren, dehnbaren Sensoren und dehnbaren Batterien bei. Meng und ihre Kollegen brachten ihre Expertise in der fortschrittlichen Charakterisierung von elektrochemischen Energiespeichersystemen ein und charakterisierten jede Iteration des Batterieprototyps, bis dieser seine Spitzenleistung erreichte.

Rezept für bessere Leistung

Die außergewöhnliche Energiedichte der Batterie ist auf ihre Silberoxid-Zink-(AgO-Zn-)Chemie zurückzuführen. Die meisten kommerziellen flexiblen Batterien verwenden eine Ag2O-Zn-Chemie. Daher haben sie in der Regel eine begrenzte Zyklenlebensdauer und eine geringe Kapazität. Dies beschränkt ihre Verwendung auf Wegwerfelektronik mit geringer Leistung.

AgO wird traditionell als unstabil angesehen. Das AgO-Kathodenmaterial von ZPower basiert jedoch auf einer proprietären Bleioxidbeschichtung, um die elektrochemische Stabilität und Leitfähigkeit von AgO zu verbessern. Als zusätzlicher Vorteil ist die AgO-Zn-Chemie für die niedrige Impedanz der Batterie verantwortlich. Die gedruckten Stromabnehmer der Batterie haben ebenfalls eine ausgezeichnete Leitfähigkeit, was ebenfalls zu einer niedrigeren Impedanz beiträgt.

Verbesserte Herstellung

AgO wurde jedoch noch nie in einer siebgedruckten Batterie verwendet, da es stark oxidativ ist und sich chemisch schnell zersetzt. Durch das Testen verschiedener Lösungsmittel und Bindemittel gelang es den Forschern in Wangs Labor an der UC San Diego, eine Tintenformulierung zu finden, die AgO für den Druck tauglich macht. Als Ergebnis kann die Batterie in nur wenigen Sekunden gedruckt werden, sobald die Tinte vorbereitet ist. Sie ist in wenigen Minuten trocken und einsatzbereit. Die Batterie könnte auch in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gedruckt werden, was die Geschwindigkeit erhöhen und die Herstellung skalierbar machen würde. Die Batterien werden auf eine Polymerfolie gedruckt, die chemisch stabil, elastisch und mit einem hohen Schmelzpunkt (ca. 200 Grad C oder 400 Grad Fahrenheit) versehen ist und heiß versiegelt werden kann. Stromabnehmer, die Zink-Anode, die AgO-Kathode und die dazugehörigen Separatoren bilden jeweils eine gestapelte siebgedruckte Schicht.

Das Team arbeitet bereits an der nächsten Generation der Batterie und zielt auf billigere, schnellere Ladegeräte mit noch niedrigerer Impedanz ab, die in 5G-Geräten und Soft-Robotik eingesetzt werden könnten, die eine hohe Leistung und anpassbare und flexible Formfaktoren benötigen.

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