НИИИТ
Научно-исследовательский институт инновационных технологий
Печатная электроника
Лаборатория печатной электроники
Генератор идей
Если у Вас есть идеи по
применению печатной электроники,
напишите нам об этом
Отправить

Батарейки и аккумуляторы

Печатная электроника, как и традиционная, немыслима без элементов питания: батареек и аккумуляторов. Гибкие печатные батарейки уже серийно выпускаются, и на их основе создаются не только демонстрационные образцы, но и серийные изделия, например, трансдермальные пластыри. Разработка технологии печати именно марганцево-цинковой батареек во многом обусловлена экологичностью и низкой стоимостью этих источников тока. Разработка технологий печати аккумуляторов позволит расширить область применения печатных источников тока. При этом особенно привлекательно выглядит сочетание печатных аккумуляторов и солнечных батарей в одном устройстве.

Подробнее

Основные типы батареек и аккумуляторов, которые могут быть напечатаны¹, приведены на рисунке 1, их принцип работы такой же, что у и непечатных.

Рисунок 1 – Типы элементов питания, которые могут быть напечатаны. Для простоты вместо термина «гальванический элемент» будем использовать обиходное название – «батарейка»

1«Источник: M. Wendler, G. Hübner, M. Krebs. Development of Printed Thin and Flexible Batteries»


Преимущества печатных элементов питания над традиционными заключаются в гибкости, малой толщине, потенциально более низкой стоимости при массовом производстве, широком диапазоне возможных форм, принципиальной возможности формирования в процессе изготовления изделия, например, книги, журнала, упаковки. Основных недостатков два: сравнительно большая площадь и низкая емкость.

Область применения печатных батареек, как ее видит один из производителей таких батареек, показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Область применения гибких печатных батареек. По материалам компании Blue Spark

Гибкие печатные батареи уже серийно производятся несколькими компаниями. Более того, в начале 2012 года компания Blue Spark Technologies, один из ведущих производителей тонких гибких печатных батарей, заявила об открытии нового крупносерийного производства батарей в Вест Бенде, Висконсин, США. Новое производство расширяет возможности компании по выпуску гибких марганцево-цинковых батарей для удовлетворения растущей потребности в печатной электронике. Производительность нового завода оценивается в более чем 300 миллионов печатных батарей в год, что свидетельствует о достаточно высоком спросе на такие батареи. На рисунке 3 представлена фотография печатной батареи ST1-104, серийно выпускаемой этой компанией. Основные технические характеристики батареи: рабочее напряжение - 1,5 В, максимальный ток – 1-2 мА, емкость 33 мА•ч.

Выпускаемые сейчас батареи производятся отдельно и уже в готовом виде интегрируются в конечный продукт. Причем, слои батарей формируются не только технологиями печати. Согласно дорожной карте развития печатных батарей (выпущенной Ассоциацией Производителей Печатной Электроники), следующее поколение батарей будет уже полностью печатным, а третье поколение – и вовсе печататься на изделиях в процессе их производства.

Рисунок 3 – Гибкая печатная марганцево-цинковая батарея ST1-104. Размеры батареи: 55х47х0,75 мм. Источник: Blue Spark Technologies

Один из примеров применения подобной батарейки приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Поздравительная открытка со светодиодами и печатными батарейками для их питания. Когда именинник задувает «свечи», светодиоды гаснут. Источник: Novalia 

Весьма интересным применением являются трансдермальные пластыри. Трансдермальные пластыри все шире используются для самостоятельного введения лекарственных средств через кожу. На рынке уже представлено большое количество разнообразных пассивных пластырей, например, никотиновые и антиникотиновые. Однако развитие печатной электроники подогревает интерес к активным (т.е. с питанием от батареек) трансдермальным пластырям, основное преимущество которых над пассивными состоит в возможности управления скоростью введения лекарств. По оценкам экспертов2 до 50% лекарственных средств, вводимых инъекционно, могут эффективно вводится с помощью активных трансдермальных пластырей. Их типовое применение – введение лекарств для обезболивания, ухода за ранами, косметических процедур (рисунок 5). Преимущества использования трансдермальных пластырей для пациентов очевидны: отсутствие болезненных уколов, снижение риска занесения инфекций, уменьшение частоты посещения медицинских учреждений.

Рисунок 5 – Косметические трансдермальные пластыри: а) структура; б) внешний вид. Заявленный эффект: в) фотография до применения пластыря; г) фотография после 20-минутного применения пластыря. Источник: Power Paper

2Данные компании Blue Spark


Марганцево-цинковые печатные батарейки

На рисунках 6 и 7 проиллюстрирован процесс рулонной печати марганцево-цинковых батареек, разработанный компанией Blue Spark. На полиэфирную пленку трафаретной печатью наносится токовый коллектор, поверх него – Ag катодный контакт, затем – катод на основе диоксида марганца и угля. После этого ламинируются цинковая фольга – анод. На следующей операции наносится клейкий уплотнитель, активируемый при нагревании и давлении. В образовавшуюся полость укладывается сепаратор для предотвращения электронной проводимости между катодом и анодом. Затем наносится электролит на основе ZnCl2, и ламинируется полиэфирная пленка.

Рисунок 6 – Рулонная печать батареек. Источник Blue Spark

Рисунок 7 – Основные операции процесса изготовления по рулонной технологии гибких печатных марганцево-цинковых батареек с размещением катода и анода в одной плоскости. Метод нанесения большинства слоев – трафаретная печать. Источник: Blue Spark

Технические характеристики серийно выпускаемых батарей по данной технологии приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Технические характеристики гибких печатных батареек Blue Spark

Артикул

Напряжение, В

Емкость, мА•ч

Максимальный ток, мА

Ширина, мм

Длина, мм

Толщина, мм

ST1-104

1,5

33

1-2

55

47

0,75

ST3-102

3,0

33

1-2

54

86

0,79

UT1-102

1,5

15

1-2

55

47

0,5

UT1-205

1,5

5

1-2

40

30

0,5

UT1-602

1,5

39

1-2

79

47

0,5

Несколько иная конструкция и технология создания печатных батареек были разработаны во Фраунгоферовском институте электронных наносистем (Fraunhofer ENAS): в них катод и анод размещаются друг над другом (см. рисунки 8 - 11). В качестве основания использовалась пленка из полиэтилентерефталата (PET) толщиной 100 мкм, на которой трафаретной печатью формировались токовые коллекторы, катод и анод. Толщина токовых коллекторов из графита и чернил на основе углерода составляет 8-10 мкм, катода и анода – 60-80 мкм. Клей по периметру батарейки наносится методом дозирования. Сепаратор вставлялся между двумя заготовками батарейки перед ламинированием, но, со слов ученых, он также может быть нанесен методами печати.

Рисунок 8 – Схематичное изображение печатной батарейки с размещением катода и анода друг над другом. Источник: Fraunhofer ENAS

Рисунок 9 – Печатная гибкая батарейка на 3 В. Источник: Fraunhofer ENAS

Рисунок 10 – Основные операции процесса изготовления гибких печатных марганцево-цинковых батареек с размещением катода и анода друг над другом. Источник: Fraunhofer ENAS

Рисунок 11 – Интерактивная открытка, в которой гибкая печатная батарейка используется для питания светодиодов. Источник: Fraunhofer ENAS

Номинальное напряжение батареек составило 1,5 В, номинальная удельная емкость – 2мА-ч/см2. Также были изготовлены батарейки на 3,0, 4,5 и 6,0 В, представляющие собой последовательно соединенные 2, 3 и 4 батарейки соответственно.

Никель-металлогидридные печатные аккумуляторы

В рамках проекта «PrintAkku» при участии Института масс-медийных средств г. Штутгарта и компании Varta была разработана технология изготовления полностью печатных гибких никель-металлогидридных аккумуляторов со следующими техническими характеристиками:

  • напряжение 1,5 В;
  • емкость 32 мА•ч;
  • максимальный ток разряда/заряда 1 мА;
  • размеры активной области 20х20 мм;
  • толщина 0,6 мм

В предлагаемой технологии не только токовые коллекторы и электроды, но и сепаратор/электролит на основе 25% раствора гидрооксида калия наносятся трафаретной печатью, см. рисунки 12 и 13.

Рисунок 12 – Основные операции процесса изготовления печатных NiMH аккумуляторов

Рисунок 13 – Заготовка NiMH аккумулятора перед нанесением сепаратора/электролита. Источник: M. Wendler, G. Hübner, M. Krebs. Development of Printed Thin and Flexible Batteries

 
Статьи по теме
Дорожная карта органических и печатных компонентов
Дорожная карта органических и печатных компонентов
2011 год стал для нас «урожайным» по количеству статей и публикаций по перспективным технологиям и направлениям развития электроники. Многие наши читатели, сотрудники и руководители производств и даже чиновники, начали задавать нам вопросы о систематизации информации по перспективным технологиям, а также где и как получить более подробные материалы о построении технологических процессов.Память, Батарейки и аккумуляторы )
скачать в формате pdf
Гибкие печатные батарейки и аккумуляторы
Гибкие печатные батарейки и аккумуляторы
Преимущества печатных элементов питания над традиционными заключаются в гибкости, малой толщине, потенциально более низкой стоимости при массовом производстве, широком диапазоне возможных форм, принципиальной возможности формирования в процессе изготовления изделия, например, книги, журнала, упаковки. Основных недостатков два: сравнительно большая площадь и низкая емкость.Батарейки и аккумуляторы )
скачать в формате pdf
Прототип изделия за полчаса
Прототип изделия за полчаса
Любой разработчик и производитель электроники сталкивался с ситуацией, когда схема разработана, сдана рабочая конструкторская документация (РКД), а запуск изделия в производство задерживается из-за ожидания печатной платы или ЭКБ.Пассивные элементы, Активные элементы, Память, Батарейки и аккумуляторы, Датчики )
скачать в формате pdf
Новости по теме
13 Февраля 2012
Компания Blue Spark Technologies, один из ведущих производителей тонких гибких печатных батарей, заявила об открытии нового крупносерийного производства батарей в Вест Бенде, Висконсин, США.Батарейки и аккумуляторы )