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可印刷充电电池为穿戴式传感器供电

更新日期:2017-06-15

美国加州大学圣地亚哥分校(University of California at San Diego;UCSD)的研究人员最近开发出可自供电的可穿戴设备,采用了最新“锌-银-氧化物”配方的充电电池技术。

研究人员们在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)期刊中详细介绍了这项电池技术——“可印刷、可伸缩的锌氧化银(Zn-Ag₂O)充电电池以超弹性黏合剂实现自供电穿戴式电子”(All-Printed, Stretchable Zn-Ag₂O Rechargeable Battery via Hyperelastic Binder for Self-Powering Wearable Electronics)。该论文作者包括UCSD教授Shirley Meng、Joseph Wang,以及博士研究生Rajan Kumar、Jaewook Shin、Lu Yin与Jung-Min You.

该技术是以Shirley Meng去年所进行的“在铋物质上沉积氧化锌(ZnO),实现可充电的锌基水性电池”(Deposition of ZnO on bismuth species towards a rechargeable Zn-based aqueous battery) http://smeng.ucsd.edu/wp-content/uploads/Deposition-of-ZnO-on-bismuth-species-towards-a-rechargeable-Zn-based-aqueous-battery1.pdf 研究为基础。根据她的观察,锌基电池能与电池内的液体电解液发生反应,因而产生不需要的锌盐,当这些锌盐达到一定的浓度时,就会造成电池短路。

Shirley Meng同时也是UCSD可持续发展电力和能源中心主任。她在实验中尝试不同的配方后发现,在电池中添加氧化铋有助于避免形成锌盐,从而打造出具有使用寿命长以及可充电的氧化锌电池。此外,添加氧化铋的方式也适用于下一代的锂氧电池。

Shirley Meng的研究发现让Joseph Wang的研究团队得以制造出可拉伸且能印在织物上的氧化锌电池,为衣物提供可再充电的电源,从而实现具有自充电LED显示器的可穿戴设备。

研究人员证实,在T恤上印刷形成‘Nano’字样的氧化锌电池,能够为绿光LED供电。

锌氧化银墨水在混合异戊二烯(橡胶的衍生物)和苯乙烯后更加耐用,使其得以被拉伸至原有尺寸的2倍,而不至于变形或影响输出。然而,其容量仅有钮扣电池的五分之一。

但电池的厚度大约是钮扣电池厚度的十分之一,采用标准丝网印刷进行制造的成本更低,当然也更易于应用在可伸缩织物上。根据该团队表示,以双组合(由于每个电池仅产生1.5V,因而需要2个电池才能为3V LED充电)进行印制时的成本约为0.5美元,相形之下,可充电的钮扣电池成本高达5美元。

为了能以更低成本超越钮扣电池,研究人员接下来计划提高电池的功率密度,尝试以各种不同的配方进行实验,以及重新调整锂离子电池、超级电容器和太阳光电电池的配方,以实现可延展性。他们还计划使其得以印在可应用于皮肤的透明基板上。

该研究计划将由全球企业家研究所(Institute for the Global Entrepreneur)营运的UCSD新技术加速器提供赞助,该机构并负责管理美国国家科学基金会(NSF)的创新团队(I-Corps)计划。

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