はじめに
モノのインターネット（IoT）は、センサーネットワークからの継続的なデータ収集に依存しています。センサーには有線式のものもありますが、電力網から離れた場所に設置し、ワイヤレスでデータを収集・送信できるものが必要です。
このような無線センサーには、長期間（理想的には数年間）動作可能な信頼性の高い電源が必要です。また、低コストでコンパクト、かつセンサーの形状にフィットした電源が必要です。
薄型ワイヤレスIoTセンサーの電源は、一般的に、かさばる非充電式バッテリーや、光、圧力変化、温度変化などの断続的なエネルギー源に依存するエネルギーハーベスティングシステムをベースにしています。
このようなエネルギーハーベスタと組み合わせた充電式電池は、時間の経過に伴う電池の放電とエネルギーハーベスタの不規則な性質の両方を補償するため、この文脈では非常に魅力的なものとなります。プリント電池は、機械的な柔軟性、コンパクトなサイズ、低い製造コストなど、いくつかの利点を備えている。
過去にいくつかの企業がプリント電池を製造・販売していたが、充電可能なプリント電池のソリューションはこれまで商品化されていない。本稿では、この課題を直接解決する新しいプリント電池ソリューションを紹介する。その構造、機能、仕様、および、我々が予測する二次電池の複数の可能なアプリケーションについて説明する。
プリント電池
プリンテッドエレクトロニクスは、多くの利点を持つ革新的な製造方法です。シンプルで費用対効果が高く、環境にもやさしい。部品は、可溶性ポリマーと粒子分散液から作られた有機インクを使って印刷されます。インクジェットやスクリーン印刷などの印刷工程により、低コストで大量生産が可能です。
金属、半導体、誘電体など、さまざまな材料を選んで印刷用インクとして配合することができ、さまざまな機能を実現することができる。これらのインクは大規模に印刷することができ、比較的低温でさまざまなフレキシブル基板や硬質基板に蒸着し、その後、多くの工業製品や消費者製品に組み込むことができる。プリンテッドエレクトロニクスは、フレキシブル基板上のセンサーの製造に理想的な技術である。そのため、従来のセンサーを設置するスペースがないような状況でも、効果的に活用することができる。
また、同じ印刷技術は、電池の製造にも応用できる。しかし、二次電池の印刷が可能になったのは、ごく最近のことです。この革新的なプリンタブル電池技術は、エボニックがInnovationLabと共同で開発したものです。この技術はTAeTTOOzと呼ばれ、現在、InnovationLab社に買収され、スケールアップと大量生産が可能になりました。
仕組み
この最先端の二次電池技術は、レドックス活性ポリマーをベースとしており、従来の印刷方法を用いて、蓄電システムに金属や金属化合物を必要とせずに電気エネルギーを貯蔵できる薄型で柔軟な電池を製造することができる。TAeTTOOz技術で製造された電池セルは、重要なことに、機能するために液体電解質を必要としないため、本質的に漏出とその後の危険のリスクを排除することができる。
従来のリチウムイオン電池（図1、左）では、小さなLi+カチオンだけが電池の両側の電極を出入りする「インターカレーション」と呼ばれるプロセスで移動していた。ポリマー型電池の場合は、これとは異なる仕組みになっている（図1、右）。この場合、アニオンとカチオンの両方が、サイクル中に電解質内を移動する。
図1：従来のリチウムイオン電池（左）とTAeTTOOz電池（右）の動作原理の比較。
ポリマー電池は、充電と放電の過程で酸化還元状態を可逆的に変化させることができる酸化還元活性な有機分子（ポリマー）を利用した技術である。つまり、レドックスポリマーは、電子の損失（酸化）と電子の獲得（還元）の両方を行うことができ、その両方のプロセスが可逆的であることを意味する。
TAeTTOOz電池は、電池内部で正極と負極として使われる2つのポリマー系導電材料と、固体電解質として機能する第3のイオン性材料で構成されている（図2）。正極材と負極材は、外部電源から供給される電荷を化学的に蓄えられるように最適化されている。これは、充電時に所定の負荷電圧で酸化還元状態を変化させることで実現される。
図2：プリント二次電池の3次元構造例。
放電電圧を印加すると、初期の酸化還元状態が可逆的に回復し、電池から電力を取り出すことができる。固体電解質は、イオン移動度によって電池内の電荷を確実に補償する。
プロダクション
このインクは水性で、お客様のニーズに合わせて調合することができ、有毒な溶剤やCMR（発がん性、変異原性、生殖毒性）溶剤を使用する必要がない。これらの有機インクは無毒であるため、印刷された製品は一般廃棄物と互換性があります。充電式電池は使い捨て
特定の印刷ニーズに対応するため、これらのインクは粒子径、安定性、レオロジー（流動特性）の点で特性化されている。これらのインクと基板上に印刷された導電性トレースを組み合わせることで、電池と関連する充放電回路を比較的少ない印刷工程で印刷することが可能になる。フレキシブル基板としては、ポリイミド（PI）、ポリエステル（PET、PEN）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）製のフォイルが使用可能です。
電池は充電される前は電圧を持たないため、過電圧による破損の心配がなく、部品の取り出しや取り付けなどの製造工程を行うことができます。これらの電池は、標準的なスクリーン印刷機で、ロールからロールへの連続生産モードでも、シートからシートへの生産モードでも、「最初から最後まで」印刷することが可能です。
印刷された電池の横方向の寸法は通常1～20cmで、全体の厚さは0.5mmを超えない。これらの電池はもちろん、積み重ねたり、折ったり、巻いたりして、既存のシステムに組み込むための3Dオブジェクトを設計することができます。
ユニバーサルプリンティング技術により、さまざまなサイズのカスタマイズされた電池を製造することができます。印刷された電池のサイズは、数cm²から数m²までさまざまですが、極端なサイズの場合、性能に一定の制限があります。
アプリケーションとカスタマイズ
TAeTTOOz電池技術の主な用途の一つは、センサーやセンサーアレイと様々なエネルギーハーベスティングコンポーネントを組み合わせて、IoTアプリケーションのための完全に自律的なセルフパワーユニットを作ることです。同じ原理は、サイネージやその他の類似のデバイスにも利用できます。
このプロジェクトでは、温度センサーや湿度センサーを太陽電池、RFハーベスティングアンテナ、圧電材料と組み合わせて、プリント二次電池を使用しています。この技術コンセプトは、すでに印刷された有機太陽光発電（OPV）太陽電池の使用で成功裏に適用され、証明されている。
電池の技術仕様は、選択されたレイアウトによって決まります。一般的に、電池容量は0.1～0.2mAh/cm²、動作電圧は1.2Vで達成されます。この容量と電圧によって、対象となる用途が決まります。もちろん、明るいLEDやヒーターを駆動するには低すぎますが、スマートラベルやパッチのセンサーの電源など、低電力のアプリケーションには最適です。
スクリーン印刷のため、セル設計の自由度が高く（図3）、縦型やコプレーナー型の設計も可能です。また、高電圧を実現するために、印刷技術により複数のセルを直列に接続することが可能です（図3右）。例えば、2つのセルを直列に接続すると、2.4Vの電圧を得ることができる。印刷のステップ数は、コプレーナーレイアウトでは一定で、垂直方向に積み重ねたデザインでは増加する。
図3：スクリーン印刷によるデザインの自由度（左：ペアノフラクタルデザイン、右：2つの電池を直列に接続した2セル電池デザイン）。
信頼性・一般特性
これまで、これらの電池は主に実証実験や研究開発目的で使用されてきました。このたび、さまざまな負荷条件下での電池の特性評価、自己放電やサイクル計測の記録を行いました。電池容量は、使用する材料で達成可能な理論上の最大値に近づいており、現在、プリント電池では約70%から80%となっている。
印刷電池の性能と信頼性は、印刷形状、使用する印刷機、印刷層の厚さと信頼性、電池構成、基板、カプセル化など、さまざまな要因に左右される。
負極および正極材料のサイクル安定性は、ボタン電池の個々の材料として使用した場合、80%以上の容量保持率で500サイクルを超えます。長期安定性は、使用されるカプセル化技術に大きく依存します。InnovationLabは、エボニックからの技術移転が完全に完了した後、近日中に詳細な情報を提供する予定です。
結論
プリント電池は、薄型、軽量、フレキシブルです。産業用無線センサーやその他のIoTアプリケーションに費用対効果の高いソリューションを提供することができます。新しいTAeTTOOz技術は、InnovationLabsの製造パートナーであるHeidelberg Printed Electronics社によって、柔軟な充電式固体電池を工業規模で印刷することを可能にします。また、この印刷電池は、従来の金属ベースの電池と比較して、著しく安全で環境に優しいものとなっています。
InnovationLabは間もなく、印刷電池の設計、印刷、特性評価に関する印刷材料とノウハウの両方を提供する予定です。また、独自の印刷電池を生産し、顧客に販売することで、産業界全体で印刷二次電池の設計と利用を可能にします。.
会社概要
InnovationLabは、フレキシブルプリント圧力センサーを中心としたプリンテッド・エレクトロニクスおよび有機エレクトロニクスのエキスパートです。私たちは、お客様の研究開発の課題に合わせた印刷ソリューションを提供しています。私たちの専門知識は、フレキシブルでハイブリッドな電子システムの開発に不可欠な、材料、プロセス、印刷技術に関する確かな理解に基づいています。BASF SE、SAP SE、Heidelberger Druckmaschinen AG、Karlsruhe Institute of Technology、Heidelberg Universityなど、学術界や産業界のパートナーとともに、プリンテッドエレクトロニクス分野のポートフォリオを継続的に拡充しています。クラスター管理チームは、オンサイトおよび拡張ネットワーク内のパートナーで構成されるアジャイルコミュニティーをコーディネートしています。
私たちは、研究開発、パイロット生産、工業生産、コンサルティング、施設管理などの分野でサービスを提供しています。ここでは、最初のアイデアから製品の工業生産まで、LAB-2-FABでお客様をサポートすることに重点を置いています。私たちは、開発のどの段階でも引き継ぐことができ、お客様の個々のニーズに合わせて、製品を成功へと導きます。
ハイデルベルグ・ドラックマシーネン社は、3交代制でセンサーを生産しており、工業生産のための強力なパートナーです。 [This is automatically translated from English]