Nový tvar v tvare chrbtice umožňuje pozoruhodnú flexibilitu, vysokú hustotu energie a stabilné napätie bez ohľadu na to, ako je ohnuté alebo skrútené
Trend flexibilnej a nositeľnej elektroniky rýchlo rastie. Inteligentné hodinky, inteligentné sklá, senzory a flexibilné displeje - napríklad smartphony, tablety a televízory atď. Z tohto dôvodu sa zvýšil aj dopyt po vysoko výkonných flexibilných batériách. Vedci doteraz čelia problémom pri získavaní flexibility a vysokej hustoty energie v lítium-iónových batériách.
Yuan Yang docent materiálovej vedy a techniky na katedre aplikovanej fyziky a matematiky na Columbia Engineering a jeho tím vyvinuli prototyp, ktorý je schopný čeliť týmto výzvam. Yuan Team formoval svoj prototyp flexibilnej batérie ako ľudská chrbtica, ktorá umožňuje úžasnú flexibilitu s vysokou hustotou energie a tiež poskytuje stabilné napätie, aj keď nezáleží na tom, ako je skrútené alebo ohnuté.
„Hustota energie nášho prototypu je jednou z najvyšších, aké sa doteraz zaznamenali,“ hovorí Yang. „Vyvinuli sme jednoduchý a škálovateľný prístup k výrobe flexibilnej lítium-iónovej batérie podobnej chrbtici, ktorá má vynikajúce elektrochemické a mechanické vlastnosti. Náš dizajn je veľmi sľubným kandidátom na flexibilnú komerčnú lítium-iónovú batériu prvej generácie. Teraz optimalizujeme dizajn a zlepšujeme jeho výkon. “
Tím Yuan sa inšpiroval pružným pohybom chrbtice pri cvičení v posilňovni. Ľudská chrbtica je vysoko pružná a mechanicky robustná. Yuan použil model chrbtice na skonštruovanie batérie v rovnakom dizajne. Prototyp má široký a pevný segment, ktorý je schopný ukladať energiu krútením elektród okolo tenkej pružnej časti, ktorá spája elektródy dohromady. Podľa návrhu ľudskej chrbtice predstavujú elektródy „stavce“ a pružná časť predstavuje „dreň“.
„Pretože objem tuhej časti elektródy je podstatne väčší ako flexibilné prepojenie, hustota energie takejto flexibilnej batérie môže byť vyššia ako 85 percent batérie v štandardnom komerčnom balení,“ vysvetľuje Yang. "Vďaka vysokému podielu aktívnych materiálov v celej štruktúre vykazuje naša batéria podobná chrbtici veľmi vysokú hustotu energie - vyššiu ako akékoľvek iné správy, o ktorých vieme." Batéria tiež úspešne prežila tvrdý test dynamického mechanického zaťaženia kvôli nášmu racionálnemu bio-inšpirovanému dizajnu. “
Yuanov tím rozdelil anódu / separátor / katódu / separátor na dlhé pásy s viacerými „vetvami“ vystupujúcimi 90 stupňov od „chrbtovej kosti“. Potom každú vetvu obklopia okolo chrbtovej kosti a vytvoria hrubé stohy na ukladanie energie, ako napríklad stavce v chrbtici. Vďaka tejto jedinečnej konštrukcii je hustota energie batérie obmedzená iba pozdĺžnym percentom stavcovitých stohov v porovnaní s celou dĺžkou zariadenia, ktoré môže ľahko dosiahnuť viac ako 90 percent.
Testovaním prototypu na bicykli zistili stabilný obrys napätia, ktorý potvrdil mechanickú stabilitu ich prototypu. Aj to ohli a skrútili aj po vybití, ale dizajn je dokonalý, že to neovplyvnilo obrys napätia. Testovanie sa vykonáva vložením batérie do vyššej prúdovej hustoty a vysoká je aj retencia kapacity (84 percent pri 3 ° C, nabitie za 1/3 hodiny). Prototyp prešiel aj testom dynamického mechanického zaťaženia.
„Náš dizajn podobný chrbtici je oveľa mechanickejší ako bežné vzory,“ hovorí Yang. „Očakávame, že naša biologicky inšpirovaná škálovateľná metóda výroby flexibilných lítium-iónových batérií by mohla výrazne pokročiť v komercializácii flexibilných zariadení.“