We present a high-voltage liquid electrolyte microbattery composed of the serial unit cells defined by surface tension in a planar fluidic layer. Compared to the previous liquid electrolyte microbatteries for MEMS actuators, the present microbattery has advantages of low interconnection loss and short charging time due to liquid electrolyte isolation through surface tension on integrated electrical lines. The present microbattery also makes it possible to partially activate several cells by partial liquid electrolyte filling and isolation.
The present microbattery consis ts of a micromolded PDMS fluidic layer and a Zn electroplated electric layer. There are three different surface tension valves in the fluidic layer: cell-front valve, outlet valve, and cell-end valve to achieve simultaneous liquid electrolyte isolation by sequential injection of liquid electrolyte and air. We design and fabricate four types of devices: C1, C10, C20, and C40 according to the numbers of serial unit cells: 1, 10, 20, and 40, respectively.
In the experimental study, we characterize the pressure differences of three surface tension valves in the fluidic layer, and verify the voltage, power density and capacity of the microbattery. The measured pressure differences of the cell-front valve, the outlet valve, and the cell-end valve are 175.0±8.6Pa, 575.8±42.1Pa, and 1883.0±400.6Pa, respectively, at the 10μl/min DI water flow rate. We verify DI water has same contact angle, 110° of an electrolyte $(H_2SO_4[1.5M]: H_2O_2[18M]=1:10, volume ratio)$. Experimentally, the pressure differences of three surface tension valves are independent of the flow rate range of 5~500μl/min for all types of devices. The measured maximum voltages are the 1, 7.6, 9.1, 12.3V; the measured power densities are the 40, 160.9, 153.0, $111.8μW/㎠$, and the measured capacities are 6.12, 2.45, 1.12, $2.06μAh/㎠$ in C1, C10, C20, C40, respectively. Partially activated cells show maximum voltages of 0.98, 1.9, 3.2V for the activated cell numbers of 1, 2, 6, respectively in C40. Internal loss of the unit cells is calculated at 1.07V/cell, and interconnection loss is also calculated at 0.58V/connection, respectively. In C40, the measured electrolyte charging time is 26.8±4.87s at the electrolyte flow rate of 100μl/min. The equivalent charging rate is $4.06μAh/㎠/min$.
In our experiments, there is unexpected massive bubble generation in each serial unit cell, which repels electrolyte from serial unit cells. Due to the failure of electrolyte isolation by the bubble generation, maximum voltage in C40 is reduced by 69% compared to the ideally maximum voltage of 39.08V.
In this work, we propose and characterize the high-voltage liquid electrolyte microbattery composed of the serial unit cells defined by surface tension in the planar fluidic layer. We can find the feasibility for high-voltage and reduction of charging time, but we remain the future work for bubble reduction methods or bubble-robust fluidic layer designs.
본 논문은 평면유로 층내의 표면 장력에 의한 직렬 단위셀의 충전과 분리 및 고전압 액체 전해질 미소전지의 구성에 관한 연구이다. 기존의 액체 전해질 고전압 마이크로 전지가 개개별로 직렬 연결해야 하고 마이크로 실린지를 이용하여 액체 전해질을 주입해야 하는데 비해 본 연구는 직접화된 직렬 연결 전극 층 상에 접촉된 마이크로 채널을 이용하여 간편하고 빠르게 액체 전해질을 충전하고 직렬 연결시의 전압 손실을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 부분적인 전해질 주입으로 인한 가변 전압을 낼 수 있는 장점을 지니고 있다.
고전압 액체 전해질 미소전지는 PDMS 마이크로 몰딩 공정에 의한 유체 층과 Zn 전지 도금 공정을 통해 제작된 직렬 집적화된 전극 층으로 구성된다. 유체 층에는 순차적으로 전해질의 주입과 공기에 의한 전해질 분리가 가능하도록 하는 3종류의 표면 장력 밸브들이 형상화되어 있다. 본 연구에서는 직렬 연결된 단위 셀들의 개수에 따른 C1, C10, C20, C40를 설계, 제작 하였다.
성능 평가에서는 유체 층의 표면 장력 밸브의 특성과 제작된 전지의 성능에 대해 실험을 수행 하였다. 유체 층의 표면 장력 밸브의 off 상태 최소 압력과 on 상태 최대 압력 차이는 유량 10μl/min에서 각각 셀 앞단 밸브 (175.0±8.6Pa), 출구 밸브 (575.8±42.1Pa), 셀 끝단 밸브 (1883.0±400.6Pa)를 나타냈으며, 전해질의 접촉 각이 사용된 DI water와 같음을 보임으로써 액체 전해질에 대해서도 동일한 압력을 갖음을 확인하였다. 또한 5~500μl/min 유량 범위와 1~40의 단위 셀에서 각 표면 장력 밸브의 on/off 밸브 압력 차이는 크게 변하지 않음을 확인하였다. 단일 전지의 최대 전압(1V), 최대 전력(40μW/㎠) 그리고 최대 용량 $(6.12μAh/㎠)$ 을 확인하였으며, 멀티 전지들(C10/C20/C40) 에서는 최대 전압(7.6/9.1/12.3V) 최대 전력 $(160.9/153.0/111.8μW/㎠)$ 그리고 최대 용량 $(2.45/1.12/20.6 μAh/㎠)$ 을 각각 확인하였다. 또한, 멀티 전지(C40)의 셀들을 부분적으로 전해질을 채우고 분리함으로써 0.98V(C1)/1.9V(C2), 3.2V(C6) 전압을 얻었으며, 이를 통한 전지의 내부 저항에 의한 손실(1.07V/cell)과 직렬 연결에 의한 손실(0.58V /connection)을 계산하였다. C40 전지에서는 100μl/min 전해질 주입으로 26.8±4.87s 주입 시간과 전해질 충전률 $(4.06μAh/㎠/min)$ 을 가진다.
그러나 본 연구의 고전압 액체 전해질 미소 전지는 예상되지 못한 각 단위 전지 내의 버블 발생과 이로 인한 중앙 채널로 전해질의 backflow로 인해 예상한 충분한 결과를 얻지 못하였다. 버블 발생은 isolation을 방해하였으며, 이는 예상한 최대 전압에 비해 69% 감소를 발생시켰다.
결론적으로 본 연구에서는 평면유로 층내의 표면 장력에 의한 직렬 단위셀의 충전과 분리 및 고전압 액체 전해질 미소전지를 구현하였고 고전압과 빠른 전해질 주입을 위한 성능을 확인하였다. 그러나 버블 발생으로 인한 손실이 많았으며, 버블을 줄일 수 있는 동시에 버블에 영향을 받지 않는 유체 층을 연구해야 하는 과제를 남겼다.
