可印刷充电电池为可穿戴传感器供电

MEMS · 公众号 · · 2017-06-08 06:57

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美国加州大学圣地牙哥分校（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。

可延展的电池（图中T恤上的‘NANO’字样）能印制在任何织物上，甚至拉伸至原有尺寸的2倍，而不至于影响电池储存容量、电流传送或充电能力（来源：UCSD）

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——「全可印刷、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可穿戴电子」（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）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。

Rajan Kumar是该研究论文的作者之一，带领该团队让这项技术实现商业化（资料来源：UCSD）

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。