211service.com
Hacka en stationär skrivare för att tillverka batterier och kretsar
Under en bänk kl Sang-Young Lee s labb är en vanlig, något förtappad bläckstråleskrivare som han har modifierat så att den spottar ut elektroniska kretsar och en typ av energilagringsenhet som kallas superkondensator. För att få det att fungera tömmer Lee bläckpatronerna och fyller på dem med specialformulerade batterimaterial och ledande bläck. När de är laddade med behandlat papper tillverkar hans hackade skrivare flexibla, hållbara superkondensatorer och enkla kretskomponenter i form av en högupplöst karta över Republiken Korea, en blomma, en logotyp eller någon annan önskad design.
Lee, en batterikemist vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) i Sydkorea, har arbetat med flexibla tryckta batterier de senaste fem åren. Batteriets arkitektur har inte förändrats sedan litiumjonbatteriets födelse, säger han. Energilagrande material gjuts på metallfolie och förpackas med en flytande elektrolyt i några grundläggande former - påsar, mynt, cylindrar och rektangulära prismatiska celler. Till exempel är designen av bärbara hälsomonitorer, oavsett om de är i textilier eller bärs i ett armband, begränsad av behovet av en batterilåda eller påse. Lee vill istället göra flexibla batterier som försvinner in i en design och som kan tillverkas med enkel utrustning, som en bläckstråleskrivare.
För att få det att fungera var han tvungen att skräddarsy allt material i receptet. Om bläcket smetar ut eller rinner i papperet kommer superkondensatorn inte att fungera. Så det första lagret som ska skrivas ut är en cellulosaprimer som absorberar bläck och som inte rinner. Det följs av kolnanorör, som ersätter folieströmsamlaren i ett batteri, och silver nanotrådselektroder, följt av ett elektrolytbläck. Varje bläck måste formuleras så att det flödar genom skrivhuvudet och inte klumpar sig när det sitter i patronen.
Nyckeln till Lees system var att utveckla en elektrolyt som var kompatibel med bläckstråleutskrift. Elektrolyten, mediet som leder joner och elektroner, är vanligtvis en vätska. Lee är den första som tillverkar en helt inkjet-kompatibel uppsättning material som inkluderar elektrolyten. Andra forskningsprojekt, säger han, kräver att en flytande elektrolyt tillsätts efter att de andra delarna är tryckta. Behovet av att hålla i den vätskan begränsar utformningen av det tryckta batteriet. Det finns elektrolytmaterial i fast tillstånd, men de är inte kompatibla med bläckstråleutskrift och kanske inte är flexibla.
Lees prototyp, beskriven i tidskriften Energi & miljövetenskap , visar hur både batteriet och kretsen försvinner i tryckta mönster. På ett tryckt ark driver ordet BATTERI orden Printed Circuit, som transporterar elektricitet till en lysdiod. I en design för en kaffemuggsomslag, driver en superkondensator en sensor att tända ett blått ljus med det tryckta ordet KALLT eller ett rött ljus med ordet HOT beroende på dryckens temperatur.
Målet för Internet of things och ubiquitous computing är att få tekniken att gå i bakgrunden så att vi kan interagera med världen på sätt som känns naturliga, säger Inna Lobel, maskiningenjör och industridesigner på designbyrån Groda i New York City. Dessa tryckta superkondensatorer föreslår hur sådana tekniker och material kan se ut, säger hon.
Ändå är tekniken ett pågående arbete. Som ett bevis på nyheten inom området var Lee tvungen att bygga utrustningen för att testa sina flexibla batterier. En skräddarsydd maskin mäter elektrisk prestanda medan batterierna vrids och på annat sätt deformeras. Nästa steg är att fortsätta förbättra den totala energilagringen för de utskrivna enheterna, säger han, och prova att skriva ut på olika material förutom papper.