Formet som en ryggrad, ny design muliggjør bemerkelsesverdig fleksibilitet, høy energitetthet og stabil spenning uansett hvordan den er bøyd eller vridd
Trenden med fleksibel og slitesterk elektronikk øker raskt. Smarte klokker, smart glass, sensorer og fleksible skjermer - som smarttelefoner, nettbrett og TV osv. For dette økte også behovet for høyytelses fleksible batterier. Til nå har forskere problemer med å få både fleksibilitet og høy energitetthet i litiumionbatterier.
Yuan Yang assisterende professor i materialvitenskap og avdeling i avdeling for anvendt fysikk og matematikk ved Columbia Engineering og teamet hans utviklet en prototype som er i stand til å møte disse utfordringene. Yuan Team formet sin fleksible batteriprototype som den menneskelige ryggraden som gir utrolig fleksibilitet med høy energitetthet, og gir også stabil spenning, selv om det ikke spiller noen rolle hvordan den vrides eller bøyes.
"Energitettheten til prototypen vår er en av de høyeste rapporterte så langt," sier Yang. “Vi har utviklet en enkel og skalerbar tilnærming for å fremstille et fleksibelt ryggradslignende litiumionbatteri som har utmerkede elektrokjemiske og mekaniske egenskaper. Designet vårt er en veldig lovende kandidat som første generasjons, fleksibelt, kommersielt litiumionbatteri. Vi optimaliserer nå designet og forbedrer ytelsen. ”
Yuan Team inspirert av den smidige bevegelsen i ryggraden mens du trener i treningsstudioet. En menneskelig ryggrad er svært fleksibel og mekanisk robust. Yuan brukte ryggradsmodellen for å konstruere batteriet i samme design. Prototypen har et bredt og solid segment som er i stand til å lagre energi ved å vri elektrodene rundt en slank, fleksibel del som forbinder elektrodene sammen. I henhold til menneskelig ryggradskonstruksjon representerer elektrodene "ryggvirvler" og fleksibel del representerer "marg".
"Ettersom volumet på den stive elektrodedelen er betydelig større enn den fleksible sammenkoblingen, kan energitettheten til et slikt fleksibelt batteri være større enn 85 prosent av et batteri i standard kommersiell emballasje," forklarer Yang. “På grunn av den høye andelen av de aktive materialene i hele strukturen, viser vårt ryggradslignende batteri veldig høy energitetthet - høyere enn noen andre rapporter vi er klar over. Batteriet overlevde også en hard dynamisk mekanisk belastningstest på grunn av vår rasjonelle bioinspirerte design. ”
Yuans team skilt anoden / separatoren / katoden / separatoren i lange striper med flere "grener" som strekker seg ut 90 grader fra "ryggraden". Deretter bretter de hver gren rundt ryggraden for å danne tykke stabler for lagring av energi, som ryggvirvler i en ryggrad. På grunn av dette unike designet er batteriets energitetthet bare begrenset av den langsgående prosentandelen av ryggvirvlignende stabler sammenlignet med hele lengden på enheten, som lett kan nå over 90 prosent.
Ved å teste prototypen ved å sykle, fant de stabil spenning, og bekreftet den mekaniske stabiliteten til prototypen. De bøyde og vridde den også etter utladning, men designet er perfekt slik at det ikke påvirket spenningen. Testingen utføres ved å sette batteriet med høyere strømtetthet og kapasitetsretensjonen er også høy (84 prosent ved 3C, ladingen på 1/3 av en time). Prototypen besto også den dynamiske mekaniske belastningstesten.
"Vår ryggradslignende design er mye mer mekanisk robust enn konvensjonelle design," sier Yang. "Vi forventer at vår bioinspirerte, skalerbare metode for å produsere fleksible Li-ion-batterier i stor grad kan fremme kommersialiseringen av fleksible enheter."