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최신 배터리보다 10배 더 강력하고 유연하고 충전 가능한 새 배터리

2021-06-16
주제:
배터리 기술,나노기술,UCSD,충전식 배터리
캘리포니아 대학교 - 샌디에이고 2020년 12월 7일



배터리는 마이크로컨트롤러와 블루투스 모듈이 장착된 유연한 디스플레이 시스템에 성공적으로 전원을 공급했습니다. 여기에서도 배터리는 상업적으로 이용 가능한 Li 코인 셀보다 더 나은 성능을 보였습니다. 크레딧: 캘리포니아 대학교 샌디에이고

연구원 팀은 최신 기술보다 5~10배 더 큰 면적 에너지 밀도를 갖는 유연하고 재충전 가능한 산화은-아연 배터리를 개발했습니다. 배터리는 또한 제조하기 더 쉽습니다. 대부분의 유연한 배터리는 무균 상태에서 제조해야 하지만 진공 상태에서 일반 실험실 조건에서 스크린 인쇄할 수 있습니다. 이 장치는 웨어러블 및 소프트 로봇용 유연하고 신축성 있는 전자 장치에 사용할 수 있습니다.

캘리포니아 대학 샌디에이고와 캘리포니아에 기반을 둔 회사 ZPower의 연구원으로 구성된 팀은 2020년 12월 7일 Joule 저널에서 연구 결과를 자세히 설명합니다.

논문의 공동 제1저자이자 박사 학위를 소지하고 있는 Lu Yin은 "우리의 배터리는 배터리를 중심으로 설계되어야 하는 전자 장치 대신 전자 장치를 중심으로 설계될 수 있습니다."라고 말했습니다. UC 샌디에고의 나노공학 교수 Joseph Wang의 연구 그룹의 학생.

이 혁신적인 배터리의 면적 용량은 실온에서 제곱센티미터당 50밀리암페어이며 이는 일반적인 리튬 이온 배터리 면적 용량보다 10~20배 더 큽니다. 따라서 동일한 표면적에 대해 줄에 설명된 배터리는 5~10배 더 많은 전력을 제공할 수 있습니다.

"이런 종류의 면적 용량은 이전에 얻은 적이 없습니다"라고 Yinsaid는 말했습니다. "그리고 우리의 제조 방법은 저렴하고 확장 가능합니다."



이 혁신적인 배터리의 면적 용량은 실온에서 제곱센티미터당 50밀리암페어이며 이는 일반적인 리튬 이온 배터리 면적 용량보다 10~20배 더 큽니다. 따라서 동일한 표면적에 대해 줄에 설명된 배터리는 5~10배 더 많은 전력을 제공할 수 있습니다. 크레딧: 캘리포니아 대학교 샌디에이고

새 배터리는 현재 시장에 나와 있는 어떤 플렉서블 배터리보다 용량이 더 큽니다. 배터리의 임피던스가 훨씬 낮기 때문입니다. 대체 전류에 대한 전기 회로 또는 장치의 저항입니다. 임피던스가 낮을수록 고전류 방전에 대한 배터리 성능이 향상됩니다.

조나단은 "5G와 사물인터넷(IoT) 시장이 빠르게 성장함에 따라 고전류 무선 기기에서 상용 제품을 능가하는 이 배터리가 차세대 소비자 가전 전원으로 주요 경쟁자가 될 것"이라고 말했다. Scharf는 논문의 공동 제1저자이자 Ph.D. UC San Diego의 나노공학 교수 Ying Shirley Meng의 연구 그룹의 후보.

배터리는 마이크로컨트롤러와 블루투스 모듈이 장착된 유연한 디스플레이 시스템에 성공적으로 전원을 공급했습니다. 여기에서도 배터리는 상업적으로 이용 가능한 Li 코인 셀보다 더 나은 성능을 보였습니다.

인쇄된 배터리 셀은 용량 손실의 주요 징후 없이 80회 이상 재충전되었습니다. 반복적으로 구부리고 비틀어도 세포는 기능을 유지했습니다.

"우리의 핵심 초점은 배터리 성능과 제조 공정 모두를 개선하는 것이었습니다."라고 UC 샌디에이고 재료 발견 및 디자인 연구소 소장이자 이 논문의 교신저자 중 한 명인 Ying Shirley Meng가 말했습니다.

배터리를 만들기 위해 연구원들은 ZPower의 독점적인 음극 설계 및 화학 물질을 사용했습니다. Wang과 그의 팀은 인쇄 가능하고 신축성 있는 센서 및 신축성 있는 배터리에 대한 전문 지식을 제공했습니다. Meng과 그녀의 동료들은 전기화학적 에너지 저장 시스템에 대한 고급 특성화에 대한 전문 지식을 제공하고 최대 성능에 도달할 때까지 배터리 프로토타입의 각 반복을 특성화했습니다.

더 나은 성능을 위한 레시피

배터리의 탁월한 에너지 밀도는 산화은-아연(AgO-Zn) 화학 물질 때문입니다. 대부분의 상업용 플렉서블 배터리는 Ag2O-Zn 화학 물질을 사용합니다. 결과적으로 일반적으로 사이클 수명이 제한되고 용량이 낮습니다. 이것은 저전력, 일회용 전자 제품에 대한 사용을 제한합니다.

AgO는 전통적으로 불안정한 것으로 간주됩니다. 그러나 ZPower의 AgO 양극 재료는 AgO의 전기화학적 안정성과 전도도를 향상시키기 위해 독점적인 산화납 코팅에 의존합니다.

추가 이점으로 AgO-Zn 화학 물질이 배터리의 낮은 임피던스를 담당합니다. 배터리의 인쇄된 집전체는 전도성이 우수하여 임피던스를 낮추는 데도 도움이 됩니다.

향상된 제조

그러나 AgO는 산화성이 높고 화학적으로 빠르게 분해되기 때문에 이전에 스크린 인쇄 배터리에 사용된 적이 없습니다. 다양한 용매와 결합제를 테스트함으로써 UC 샌디에이고에 있는 Wang의 연구실의 연구원들은 AgO를 인쇄용으로 사용할 수 있게 하는 잉크 제형을 찾을 수 있었습니다. 결과적으로 잉크가 준비되면 몇 초 만에 배터리를 인쇄할 수 있습니다. 건조되어 몇 분 만에 사용할 수 있습니다. 배터리는 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 인쇄할 수도 있어 속도를 높이고 제조를 확장할 수 있습니다.

배터리는 화학적으로 안정적이고 탄성이 있으며 열 밀봉이 가능한 높은 융점(약 섭씨 200도 또는 화씨 400도)을 가진 폴리머 필름에 인쇄됩니다. 집전체, 아연 양극, Ag2O 음극 및 해당 분리막은 각각 적층 스크린 인쇄 층을 구성합니다.

팀은 이미 차세대 배터리에 대해 작업 중이며 고전력과 맞춤형 및 유연한 폼 팩터가 필요한 5G 장치 및 소프트 로봇에 사용되는 훨씬 낮은 임피던스의 더 저렴하고 빠른 충전 장치를 목표로 하고 있습니다.

참조: Lu Yin, Jonathan Scharf, Jessica Ma, Jean-Marie Doux, Christopher Redquest, Viet L. Le, Yijie Yin, Jeff Ortega, Xia Wei의 "플렉서블 전자를 위한 고성능 인쇄 AgO-Zn 충전식 배터리", Joseph Wang 및 Ying Shirley Meng, 2020년 12월 7일, 줄.
DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.008