Молодая калифорнийская компания Imprint Energy приступила к тестированию ультратонких и гибких цинк-полимерных аккумуляторов, изготавливаемых методом промышленной трафаретной печати. Они были созданы для использования в носимой электронике и маломощных устройствах, габариты которых не позволяют разместить в них другие элементы питания.

Одним из основных сдерживающих факторов при разработке медицинских имплантатов, носимых электронных устройств и миниатюрных гаджетов остаётся проблема их обеспечения энергией. Из-за особенностей геометрии, малых размеров и сложности замены батарей в них трудно использовать как элементы питания существующих стандартов, так и АКБ специфической формы.

Производство гибких цинковых АКБ методом трафаретной печати (фото: imprintenergy.com).
Производство гибких цинковых АКБ методом трафаретной печати (фото: imprintenergy.com).

По соотношению ёмкости к объёму и допустимым токам разряда литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы остаются самым популярным решением, однако помимо высокой стоимости и большой массы они обладают другими недостатками, ограничивающими их применение. В частности, они могут взрываться, нанося серьёзные повреждения и травмы.

Новые гибкие батареи разрабатывались с учётом требований повышенной безопасности. В основе технологии их изготовления лежат материалы исследования соосновательницы компании Кристин Хо (Christine Ho) по производству сверхтонких батарей. Над этой темой она работала в Калифорнийском университете в Беркли вместе с коллегами из Японии во время постдипломной практики. Первые прототипы были созданы с использованием 3D-принтера.

В производящихся другими фирмами кислородно-цинковых аккумуляторах используется водный электролит, способствующий формированию дендритов. Эти ветвистые структуры из восстановленного цинка растут от анода к катоду в виде ленточных кристаллов. Постепенно они вызывают падение ёмкости батареи, а затем её короткое замыкание. Бороться с образованием дендритов пытались путём добавления дополнительного электрода, создающего с растущим цинковым шипом гальваническую пару. Группа Кристин Хо пошла иными путём. Она разработала твердый полимерный электролит, полностью устраняющий данную проблему, обеспечивающий большую ёмкость элемента питания и увеличивающий общее число циклов перезарядки. Вдобавок, исчезла проблема вытекания электролита, что позволило изготавливать сверхтонкие батареи и сгибать их как угодно.

Подложка с гибкими батареями Imprint Energy (фото: gigaom.com).
Подложка с гибкими батареями Imprint Energy (фото: gigaom.com).

Технология получила рабочее называние ZincPoly и вызывала сильный интерес среди производителей электроники. Компания Imprint Energy развивает данное направление с 2010 года. Сейчас она стремиться не просто выпустить на рынок ещё один вид аккумуляторов, а создать принципиально новый тип источников питания и стать лидером их производства.

Недавно компания получила $6 млн. инвестиций от венчурного фонда Yahoo и других партнёров для развития собственного производства и начала серийных поставок. Среди инвесторов, поддержавших Imprint Energy на раннем этапе, особо стоит отметить фирму In-Q-Tel. Традиционно через неё финансируются проекты, которые аналитики ЦРУ считают перспективными.

Рабочее напряжение одного элемента ZinkPoly составляет 1,43 В. При этом он настолько тонкий, что просвечивается лучом фонарика (фото:  Imprint Energy).
Рабочее напряжение одного элемента ZinkPoly составляет 1,43 В. При этом он настолько тонкий, что просвечивается лучом фонарика (фото: Imprint Energy).

Какой интерес представляют гибкие сверхтонкие аккумуляторы для разведывательного управления, можно лишь догадываться. Они обладают сравнимой ёмкостью с литий-ионными АКБ, хотя и уступают им по другим показателям. В частности, пока ещё не удаётся использовать их с нагрузкой, потребляющей энергию импульсами и обладающей высокой пиковой мощностью. Однако там, где требуется длительное питание маломощных сенсоров и экономичных чипов, аккумуляторы ZincPoly помогут внести качественные изменения в дизайн и расширить функциональность портативных электронных устройств.

Среди других преимуществ технологии ZincPoly указывается и отсутствие привязки к дорогим химическим элементам. Содержание цинка в земной коре примерно в 2,5 раза больше, чем лития, а сама технология получения первого гораздо проще. Поэтому цены на металлический литий начинаются от полутора тысяч рублей за килограмм, а на цинк чистотой 99,99% – от двухсот рублей. К тому же, утилизация отработавших своё цинковых элементов питания обходится значительно дешевле из-за меньшей токсичности цинка.