University of California San Diego

Siebgedruckter Akku mit hoher Energiedichte

14. Dezember 2020, 16:00 Uhr | Ralf Higgelke

Die AgO-Zn-Akkus versorgten ein flexibles Displaysystem, das mit einem Mikrocontroller und Bluetooth-Modulen ausgestattet war.

Bis zu zehnmal mehr Energie als verfügbare biegsame Lithium-Ionen-Akkus soll ein neuer Silberoxid-Zink-Akku liefern können, den Forscher der UC San Diego mit der Firma ZPower entwickelt haben. Zudem lässt er sich kostengünstig und skalierbar im Siebdruckverfahren herstellen.

Ein Forscherteam der University of California San Diego hat eine biegsame, wiederaufladbare Silberoxid-Zink-Batterie entwickelt, die eine fünf bis zehn Mal höhere räumliche Energiedichte aufweist als aktuelle Technologien. Außerdem ist diese Batterie einfacher herzustellen. Während die meisten flexiblen Batterien unter sterilen Bedingungen und unter Vakuum hergestellt werden müssen, lässt sich diese Batterie unter normalen Laborbedingungen im Siebdruckverfahren fertigen. Das Bauelement kann in biegsamer und elastischer Elektronik für Wearables sowie in der Soft-Robotik eingesetzt werden.

»Unsere Batterien lassen sich um die Elektronik herum konstruieren, statt die Elektronik um die Batterien herum konzipieren zu müssen«, erklärte Lu Yin, einer der Erstautoren der Studie und Doktorand in der Forschungsgruppe von Joseph Wang, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego. Die flächenbezogene Kapazität dieser neuartigen Batterie beträgt 50 mA pro Quadratzentimeter bei Raumtemperatur – das ist zehn- bis zwanzigmal mehr als die flächenbezogene Kapazität einer typischen Lithium-Ionen-Batterie. Außerdem kann der neue Akku bei gleicher Fläche fünf- bis zehnmal mehr Strom liefern, weil dessen Impedanz so niedrig ist. Je niedriger die Impedanz ist, desto höher ist die Leistungsfähigkeit der Batterie bei hohen Entladeströmen.

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Der AgO-ZnAkku versorgte ein flexibles Displaysystem, das mit einem Mikrocontroller und Bluetooth-Modulen ausgestattet war. Auch hier schnitt die Batterie besser ab als handelsübliche Li-Knopfzellen.

»Da der 5G- und IoT-Markt rasant wächst, könnte diese Batterie ein Hauptanwärter für die nächste Generation von Stromversorgungen für Unterhaltungselektronik sein«, meint Jonathan Scharf, ebenfalls Erstautor der Studie und Doktorand in der Forschungsgruppe von Ying Shirley Meng, Professorin für Nanoengineering an der UC San Diego.

Die Batterien versorgten ein flexibles Displaysystem, das mit einem Mikrocontroller und Bluetooth-Modulen ausgestattet war. Auch hier schnitt die Batterie besser ab als handelsübliche Lithium-Knopfzellen. Die gedruckten Batteriezellen wurden über 80 Mal wieder aufgeladen, ohne dass die Kapazität nennenswert abnahm. Auch bei wiederholtem Biegen und Verdrehen blieben die Zellen funktionsfähig.

»Unser Hauptaugenmerk lag darauf, sowohl die Leistungsfähigkeit der Batterie als auch den Herstellungsprozess zu verbessern«, sagt Ying Shirley Meng, Direktorin des Institute for Materials Discovery and Design der UC San Diego und eine der verantwortlichen Autoren der Studie. Um die Batterie zu fertigen, nutzten die Forscher ein proprietäres Kathodendesign und eine Batteriechemie von ZPower.

Wang und sein Team steuerten ihr Fachwissen über gedruckte, dehnbare Sensoren und dehnbare Batterien bei. Meng und ihre Kollegen brachten ihre Expertise in der Charakterisierung von elektrochemischen Energiespeichersystemen ein und analysierten jede Iteration des Prototyps der Batterie, bis diese ihre maximale Leistung erreichte.

Rezept für mehr Leistung

Die außergewöhnliche Energiedichte der Batterie ist auf die Silberoxid-Zink-Chemie (AgO Zn) zurückzuführen. Die meisten handelsüblichen flexiblen Batterien verwenden eine Ag₂O-Zn-Chemie. Infolgedessen ist deren Zyklenfestigkeit in der Regel begrenzt und ihre Kapazität gering. Dies schränkt ihre Einsatzmöglichkeiten für Einweg-Elektronik mit geringer Leistungsaufnahme ein.

AgO galt bislang als instabil. Doch das AgO-Kathodenmaterial von ZPower stützt sich auf eine proprietäre Beschichtung aus Bleioxid, um die elektrochemische Stabilität und Leitfähigkeit von AgO zu verbessern. Außerdem sorgt die AgO-Zn-Chemie für die niedrige Impedanz der Batterie. Die gedruckten Stromkollektoren der Batterie leiten den Strom sehr gut, was ebenfalls zu einer niedrigen Impedanz beiträgt.

Kosteneffiziente und skalierbare Fertigung

Allerdings wurde AgO noch nie in einer siebgedruckten Batterie verwendet, da es stark oxidierend ist und sich chemisch schnell zersetzt. Nachdem die Forscher in Wangs Labor an der UC San Diego verschiedene Lösungsmittel und Bindemittel getestet hatten, fanden sie eine Tintenrezeptur, mit der sich AgO drucken lässt. Als Ergebnis kann die Batterie in nur wenigen Sekunden gedruckt werden, sobald die Tinte vorbereitet ist. Sie trocknet in wenigen Minuten und ist dann einsatzbereit. Die Batterie könnte auch in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gedruckt werden, was die Geschwindigkeit erhöhen und die Herstellung skalierbar machen würde.

Gedruckt werden die Batterien auf eine Polymerfolie, die chemisch stabil, elastisch und einen hohen Schmelzpunkt (ca. +200 °C) hat und sich somit verschweißen lässt. Stromkollektoren, die Zink-Anode, die AgO-Kathode und die dazugehörigen Separatoren bilden jeweils eine im Siebdruckverfahren hergestellte Stapelschicht.

Das Team arbeitet bereits an der nächsten Batteriegeneration und strebt kostengünstigere, schnellere Ladesysteme mit noch niedrigerer Impedanz an, die sich für den Einsatz in 5G-Geräten und Soft-Robotik eignen, wo hohe Leistung und anpassbare und flexible Formfaktoren erforderlich sind.