柔性电池电子产品设计的进步

柔性混合电子产品面临着巨大的障碍，但该技术正在朝着巨大的机遇迈进。两家电池初创公司展示了有希望的工作。  

塑料基板上的印刷和传统芯片和迹线的混合使设备能够弯曲和拉伸，并且可以廉价和快速地制造。但是制造这种设备的过程仍然不成熟。  

在这里举行的年度开放日上，NextFlex 倡议的成员分享了他们的担忧并展示了进步。该集团成立于 2015 年 9 月，拥有约 1.65 亿美元的公共和私人融资。 

研究人员正在努力实现的一个里程碑是创建流程开发工具包 (PDK) 的等效物，以引导工程师通过当前使用的不同制造系统和流程的迷宫。美国空军研究实验室的高级技术专家理查德·瓦亚希望 NextFlex 能在未来一两年内提供这样一份文件。 

“今天你必须有一个铁杆专家，他几乎可以手动调整事物，但有了 PDK，即使是本科生也可以进行设计，”Vaia 在接受采访时说。 

Vaia 说，如果没有它，工程师们目前会发现从一种设计到另一种设计的互连、电阻水平和其他动态的变化，称可变性控制是当今该领域的主要问题。  

“材料和制造技术正在发生冲突。可能是墨水、喷嘴头、后处理退火中的某些东西——打印和沉积材料有很多不同的方法，每种方法都有自己的限制，”他说。 

美国宇航局艾姆斯研究中心的首席技术专家哈里·帕特里奇希望使用柔性电子设备来监测宇航员。但目前，缺乏合适的流体设计是分析汗液和唾液含量的障碍。 

另一个重大挑战是为轻薄设计提供动力。“尽管可拉伸电池已经取得了长足的进步，但 ARPA-E [美国能源研究机构] 已经转向具有柔性连接的固体电池，但对于许多应用程序来说，它是有限的，”帕特里奇告诉 EE Times。 

“你不会拥有纽扣电池或可充电电池的性能，因此需要权衡取舍，”Vaia 说。“电池小型化很难，带有电池和电源调节的电源子系统不会以与系统其他部分相同的速度缩小，因此我们可能需要单独的柔性设计，”他补充道。 

在开放日展出的两家电池初创公司展示了有前途的原型。 

Millibat 每周生产 200 个样品，其 1.5 毫安时 (mAh) 锂离子电池可为蓝牙传感器供电，并计划在六个月内准备好 2.5 mAh 版本。电池不灵活，但很小，尺寸为 7x7x0.8 毫米，峰值电流为 10 毫安。这家初创公司正在寻求 500 万美元的资金来购买设备，以帮助其从加州大学洛杉矶分校的 4 英寸晶圆厂过渡到可以批量生产产品的 8 英寸商业晶圆厂。 

印记能量与印刷电池一起更进一步。它使用高导电性固体聚合物电解质，可以封装到足够大的设计中，以供 40 mAh 电池提供 50 毫安电流。它为 LoRa 物联网网络芯片供应商 Semtech 验证了智能标签设计。这家初创公司每周可以打印 10,000 块电池，并正在寻求 1200 万美元的 B 系列来扩大产量、提高 80% 的产量并验证更多的客户设计。 

这两家电池初创公司是开放日的其他约 20 家参展商之一。他们包括少数其他初创公司和主要商业公司以及一大群学者。 

Matternet 是一家制造无人机以向医院运送紧急药物和血液供应的初创公司，它展示了与 NextFlex 和波音公司合作的项目的早期工作，该项目旨在为未来的模型制造足够轻的打印雷达组件。GE 展示了一种用于旋转轴的柔性应力传感器，该传感器现在用于一种高端产品。这家工业巨头的目标是使用印刷无源器件重新设计它并降低成本，以用于各种其他系统，特别是在石油和天然气开采中。 

“从长远来看，[柔性电子]可以实现的解决方案数量令人兴奋。我们可以从新的方向解决问题，并显着减小尺寸或功率，或者将传感器放置在以前无法放置的位置，”前宇航员、现任洛克希德马丁公司空间高超音速和先进材料主管斯蒂芬弗里克说。 

例如，在挑战者号航天飞机解体后，“我们在机翼上放置了一些加速度计，因此如果有东西脱落并撞到机翼上，您会感觉到振动并可以看到该区域。它非常粗糙，几天后电池就耗尽了。如果你有这样的技术，你可以在车辆周围更彻底地改造传感器，以获得更好的覆盖范围并保证机组人员的安全，”弗里克在小组讨论中说。 

NASA 的 Partridge 呼吁采用新的方法来测量宇航员的流体流动，以确定它们在微重力下长时间对认知功能的影响。他还设想了对智能栖息地、未来空间站或月球或火星殖民地的需求，这些殖民地可以自我修复并通过灵活的传感器报告其安全系数。

“Nextflex ……一开始打印天线很普通，但那是改变游戏规则的方式，不需要拆掉旧的电子设备，它是真实的，并且一直在逐步进步，因此您可以制作东西，为现有平台添加功能或设计像可磨损系统这样的新事物可能只持续五个任务而不是 50 年，”Vaia 在小组发言时说。 

他说，工程师需要大胆，他注意到最近的空军 2030 研究呼吁“减少距离和时间的限制……我们可以通过现场制造、制造零件或电子没有后勤路线的战场，”瓦亚说。 

今天的快速创新“推动了高级领导者甚至高级设计师的风险规避，”Vaia 说。“他们希望继续提供有效的新东西，因此默认情况下他们被迫使用现有的东西，而不是引入新技术。  

“随着资金的紧缩……[现有技术和新技术的]平衡正在失控。十年后，我们将拥有我们需要的东西来创造超越柔性混合电子产品的下一个产品，”他问道。