Stretchable silver - zinc based battery, a novel fabrication method

Abstract

Os adesivos de biomonitorização que conseguem aderir à epiderme humana e detetar bio-potenciais, têm recebido cada vez mais atenção durante os últimos anos. Como em qualquer dispositivo móvel, o armazenamento de energia ainda é um grande problema. Portanto, o desenvolvimento de baterias de filme-fino (thin-film) e esticáveis que podem ser integradas em adesivos biomonitorização é altamente antecipado. Entre essas, as baterias de prata-zinco são opções interessantes devido à sua capacidade em mAh/cm^2 (comparável às baterias de lítio), o uso de componentes não inflamáveis e eletrólitos à base de água.Até recentemente, uma das principais desvantagens das baterias Ag-Zn era o seu ciclo de vida, uma vez que era muito reduzido pela destruição do elétrodo de zinco, reduzindo assim sua eficiência após cada recarga. Esse problema é agora tratado com aditivos como Mercúrio, Índio, Gálio e Bismuto.Nesta dissertação, apresentamos a fabricação e caracterização de uma bateria Ag-Zn, com capacidade de armazenamento de energia de 2,5 mAh / cm ^2, que é recarregável. Para isso, os coletores de corrente AgInGa são usados para diminuir a resistência interna da bateria e permitir que a bateria se estique, e os coletores de corrente CB + InGa ajudam com o ciclo de vida do zinco. O uso do EGaIn (metal líquido) para a arquitetura, além de permitir a preparação de elétrodos elásticos, provou melhorar o ciclo de vida da bateria, assim como a capacidade de armazenamento de energia - os resultados obtidos são semelhantes aos resultados do estado da arte. Os métodos de fabricação utilizados são simples e fáceis.Além disso, durante esta dissertação, um sistema potenciostato/galvanostato foi desenvolvido internamente ('in house'); este sistema permite medições de 2 e 3 elétrodos e a caracterização simultânea de até 12 baterias.

Bio-monitoring patches that can adhere to the human epidermis and collect bio-potentials have been receiving increasing attention during the last few years. As with any mobile device, the energy storage is still a major problem. Therefore, the development of thin-film and stretchable batteries that can be integrated into these bio-monitoring patches is highly anticipated. Among those, Silver-zinc batteries are interesting choices due to their capacity in mAh/cm^2 (comparable to lithium batteries), use of non-flammable components and water-based electrolytes.Until recently, one major drawback of Ag-Zn batteries was their life cycle, since it was greatly shortened by the destruction of the zinc electrode, thereby reducing their efficiency after each recharge. This problem is now addressed with additives such as Mercury, Indium, Gallium and Bismuth. In this dissertation, we present fabrication and characterization of a novel Ag-Zn battery, with an energy storage capacity of 2,5 mAh/cm^2, which is rechargeable. To do so, AgInGa current collectors are used to decrease the internal resistance of the battery and allow the battery to stretch, and CB+InGa current collectors help with the life cycle of zinc. The use of the EGaIn (liquid metal) to the architecture, not only allowed preparation of stretchable electrodes, it proved to improve the life cycle of the battery as well as its energy storage capacity. In terms of energy storage capacity, the results obtained are similar to the results of the state of the art. The fabrication methods employed are also simple and easy.In addition, during this dissertation, a \gls{pg} system was developed in-house, which allowed the simultaneous characterization of up to 12 batteries.