Printed Ag-Ga Battery for Digitally Fabricated Soft Machines

Abstract

Avanços rápidos em eletrónica “soft” e extensível motivam a próxima geração de máquinas “soft” e impressas com funcionalidades integradas. Para a próxima geração de máquinas “soft” avançadas, espera-se que esses dispositivos integrem uma forma de sistema de armazenamento de energia complacente, fino e extensível, para substituir as atuais baterias rígidas volumosas.Nesta dissertação, apresento uma nova arquitetura de uma bateria extensível de Prata-Gálio impressa digitalmente que atinge uma capacidade de armazenamento de energia recorde de 78.7 mAh/cm2, uma capacidade máxima de alongamento de 170% e uma capacidade de recarga de, pelo menos, 130 ciclos eletroquímicos. Estes resultados são alcançados por meio de várias melhorias feitas a um trabalho anterior do nosso grupo, incluindo a otimização dos compósitos, da estrutura da bateria e da técnica de fabricação. Todas estas melhorias foram possíveis através da caracterização profunda da ciclagem eletroquímica da bateria e da análise da microestrutura dos compósitos.Além disso, nesta dissertação apresento um novo condutor transparente extensível baseado em nanopartículas de Metal Líquido revestidas com Grafeno e uma técnica de sinterização a laser. Este é o primeiro relato de um condutor transparente extensível baseado em nano/micro gotículas de metal líquido, apresentando uma elasticidade máxima de 1380% (em comparação com ~200% para condutores transparentes à base de nanofios de prata), uma excelente condutividade de 1.23 Ω/sq e uma transmitância de 75%. Usando este condutor transparente, desenvolvi um dispositivo eletroluminescente extensível que suporta um elongamento máximo de 160% e possui brilho máximo de 636.5 cd/m2.Finalmente, combinei estes dois avanços e desenvolvi um dispositivo eletroluminescente com um conjunto de baterias extensíveis impressas integradas. Graças à possibilidade de impressão digital, um arranjo sob medida para a aplicação específica de quatro baterias em série e em paralelo foi projetado e prontamente fabricado para atender às necessidades energéticas do sistema, mostrando a capacidade do dispositivo de ser disposto em múltiplas-células.

Rapid advances in soft and stretchable electronics hold the promise for the next generation of soft and printed machines with integrated functionalities. For the next generation of advanced soft machines, it is expected that these devices integrate a form of soft, thin, and stretchable energy storage system, to replace the current bulky and rigid batteries.In this dissertation, I introduce a novel architecture of a digitally printed stretchable Silver-Gallium battery that attains a record-breaking areal capacity of 78.7 mAh/cm2, a maximum stretchability of 170% and a rechargeability of, at least, 130 electrochemical cycles. This is achieved through several improvements made to a previous work from our group, including optimization of the composites, the battery structure, and fabrication technique. All these improvements were made possible through deep characterization of the electrochemical cycling of the battery, and analysis of the microstructure of the composites.Moreover, in this dissertation I introduce a novel stretchable transparent conductor based on Graphene coated Liquid Metal nano particles, and a laser sintering technique. This is the first report of a stretchable transparent conductor based on liquid metal nano/micro droplets. Thanks to the metallic conductivity and fluidic deformability of the liquid metal, this transparent conductor surpasses all previous stretchable conductors based on silver nanowires and presents a record-breaking maximum stretchability of 1380% (compared to ~200% for silver nanowire based transparent conductors), an excellent conductivity of 1.23 Ω/sq, and a transmittance of 75%. Using this transparent conductor, I developed a stretchable Electroluminescent device that withstands a maximum tensile strain of 160% and presents a maximum brightness of 636.5 cd/m2.Finally, I combined these two advances, and developed an electroluminescent device with an array of integrated printed stretchable battery. Thanks to the possibility of digital printing, a tailor-made application-specific arrangement of four batteries in series and parallel was designed and readily fabricated in order to meet the energy requirements of the system, showing the ability of the device to be arranged in multi-cell.