Serigrafi Baskılı, Esnek Piller Giyilebilir Elektronik Cihazlar için Düşük Maliyetli Güç Kaynağı Olabilir
Fotoğraf: Esnek, şarj edilebilir Ag-Zn piller – görseldeki gibi 1 × 5 cm boyutlarında – yeni bir serigrafi yaklaşımı kullanılarak basit, düşük maliyetle büyük ölçekte yapılabilir
Araştırmacılar, T-shirt baskısında kullanılana çok benzer bir serigrafi tekniği (İlgili makale: Joule 2020, DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.008) kullanarak onlarca yüksek güçlü, esnek ve gerilebilir piller yapmanın bir yolunu geliştirdiler. Yöntem, geçmişi onlarca yıllık kimyaya uzanan gümüş-çinko pilleri herhangi bir boyut ve şekilde yapmalarına izin veriyor ve pilleri düşük maliyetle hızlı bir şekilde üretmenin yolunu açıyor.
Yeni, esnek, bükülebilir pil, aynı alandaki lityum-iyon hücrelere göre beş kat daha fazla güç sağlayabilir – avuç içi büyüklüğünde esnek bir ekrana güç sağlamak için iki tane 4 cm2 pil için yeterli güçtür. California San Diego Üniversitesi’nde malzeme bilimcisi olarak görev yapan ve bu pillerin geliştiricisi Shirley Meng, yüksek şarj kapasitesi ve esnekliğin, pili giyilebilir cihazlara, küçük, hafif sensörlere ve kablosuz ağ cihazlarına güç sağlamak için ideal hale getirdiğini söylüyor.
Araştırmacılar, geleceğin giyilebilir cihazlarını tamamlayan, genellikle polimerlerden oluşan esnek piller yapmanın birçok yolunu denediler. Ancak Meng, bu tür polimer bazlı pilleri yapmak için kullanılan 3-D baskı gibi yöntemlerin karmaşık, maliyetli ve yavaş olduğunu söylüyor. On milyonlarca yüksek performanslı, esnek pilleri düşük maliyetle yapmanın bir yoluna ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu ihtiyacı karşılamak isteyen Meng, UCSD nano mühendis Joseph Wang ve meslektaşları, serigrafi baskının pilleri ölçekli olarak üretmek için düşük maliyetli bir yöntem olup olmayacağını merak ettiler. İlk olarak 1960larda NASA tarafından geliştirilen ve yüksek enerji yoğunlukları ve güvenli kimyası nedeniyle işitme cihazlarında kullanılan gümüş oksit-çinko pilleri seçtiler. Ekip, bu pillerin yeni, şarj edilebilir bir versiyonunu ticarileştiren ZPower şirketi ile iş birliği yaptı.
UCSD ekibi, yazdırılabilir pilleri için şirketin tescilli AgO katot malzemesini kullanmaya başladı. Wang’in ekibi, elektrotlar, potasyum hidroksit – poli(vinil alkol) hidrojel elektrolit ve diğer bileşenler dahil olmak üzere tüm pil parçalarının mürekkep versiyonlarını yapmak için polimer bağlayıcılar ve kolayca bulunabilen çözücüler kullandılar. Her katmanın basılması, mürekkepleri metal bıçaklı bir silecekle paslanmaz çelik şablonlardan ince, şeffaf kauçuk filmlere baskı yapmayı ve ardından onları fırında birkaç dakikalığına sertleştirilmesi adımlarını içeriyordu. Bir film üzerine farklı mürekkep katmanlarıyla bir katot oluşturdular ve benzer şekilde diğer bir filmden bir anot yaptılar. 1 mm’den daha ince piller oluşturmak için elektrotlar arasına baskılı bir elektrolit tabakası sıkıştırdılar.
Meng, bu pilin şimdiye kadar bildirilen diğer tüm esnek bataryalar arasında en yüksek şarj kapasitesine sahip olduğunu söylüyor. Ayrıca, bu pilin rulodan ruloya baskı prosesi kullanılarak kolayca büyük ölçekte basılabileceğini belirtiyor. Araştırmacılar, farklı boyutlarda piller yaptılar ve iki adet 4 cm2 pil kullanarak esnek bir siyah-beyaz elektronik ekrana güç verebildiler. Ekip şimdi cihazın çevrim ömrünü iyileştirmek için çalışıyor: mevcut pil, şarj tutma kapasitesi azalmaya başlamadan önce sadece yaklaşık 80 kez şarj edilebilir.
Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde bir kimya mühendisi olan Sang-Young Lee, burada bildirilen serigrafi sürecinin, araştırmacıların elektronik cihazlar için özelleştirilebilen çeşitli boyut ve kalınlıklarda piller yapmasına olanak tanıyan önemli bir gelişme olduğunu söylüyor. Yüksek şarj kapasitesi ve düşük maliyet, diğer çinko ve lityum iyon pillere göre önemli bir avantajdır, diyor. Lee, çevrim ömrünü artırmanın, şu an bu pilleri pratik hale getirmenin önündeki en önemli engel olduğunu belirterek sözlerini tamamlıyor.
Kaynakça: acs.org
