În formă de coloană vertebrală, noul design permite flexibilitate remarcabilă, densitate ridicată a energiei și tensiune stabilă, indiferent de modul în care este flexată sau răsucită.
Tendința electronicii flexibile și portabile crește rapid. Ceasuri inteligente, sticlă inteligentă, senzori și afișaje flexibile - cum ar fi smartphone-uri, tablete și televizoare etc. Pentru această cerere de baterii flexibile de înaltă performanță a crescut, de asemenea. Până acum, cercetătorii se confruntă cu probleme pentru a obține atât flexibilitate, cât și densitate mare de energie în bateriile litiu-ion.
Yuan Yang Profesor asistent de știință și inginerie a materialelor în departamentul de fizică aplicată și matematică de la Columbia Engineering și echipa sa a dezvoltat un prototip care este capabil să facă față acestor provocări. Echipa Yuan și-a modelat prototipul de baterie flexibil ca coloana vertebrală umană, care permite o flexibilitate uimitoare, cu densitate ridicată de energie, și oferă, de asemenea, tensiune stabilă, chiar dacă nu contează cum este răsucit sau flexat.
„Densitatea energetică a prototipului nostru este una dintre cele mai mari raportate până acum”, spune Yang. „Am dezvoltat o abordare simplă și scalabilă pentru a fabrica o baterie flexibilă cu litiu-ion, asemănătoare coloanei vertebrale, care are proprietăți electrochimice și mecanice excelente. Proiectarea noastră este un candidat foarte promițător ca primă generație, flexibilă, baterie litiu-ion comercială. Acum optimizăm designul și îmbunătățim performanța acestuia. ”
Echipa Yuan inspirată de mișcarea suplă a coloanei vertebrale în timp ce făcea mișcare în sala de gimnastică. O coloană vertebrală umană este extrem de flexibilă și robustă mecanic. Yuan a folosit modelul coloanei vertebrale pentru a construi bateria în același design. Prototipul are un segment larg și solid care poate stoca energie prin răsucirea electrozilor în jurul unei părți subțiri flexibile care leagă electrozii împreună. Conform proiectării coloanei vertebrale umane, electrozii reprezintă „vertebre”, iar partea flexibilă reprezintă „măduva”.
„Deoarece volumul părții rigide a electrodului este semnificativ mai mare decât interconectarea flexibilă, densitatea energetică a unei astfel de baterii flexibile poate fi mai mare de 85% dintr-o baterie în ambalajele comerciale standard”, explică Yang. „Datorită proporției ridicate de materiale active din întreaga structură, bateria noastră asemănătoare coloanei vertebrale prezintă o densitate energetică foarte mare - mai mare decât orice alte rapoarte despre care suntem conștienți. De asemenea, bateria a supraviețuit cu succes unui test dur de încărcare mecanică dinamic datorită designului nostru rațional inspirat din punct de vedere bio. ”
Echipa lui Yuan a separat anodul / separatorul / catodul / separatorul în benzi lungi cu mai multe „ramuri” care se extind la 90 de grade de „coloana vertebrală”. Apoi, învelesc fiecare ramură din jurul coloanei vertebrale pentru a forma stive groase pentru stocarea energiei, ca vertebre într-o coloană vertebrală. Datorită acestui design unic, densitatea energiei bateriei este limitată doar de procentul longitudinal de stive asemănătoare vertebrelor, comparativ cu întreaga lungime a dispozitivului, care poate ajunge cu ușurință la peste 90%.
Testând prototipul pe bicicletă, au găsit un contur stabil de tensiune, au confirmat stabilitatea mecanică a prototipului lor. De asemenea, l-au flexat și răsucit chiar și după descărcare, dar designul este perfect, încât nu a afectat conturul de tensiune. Testarea se efectuează punând bateria cu densitate de curent mai mare, iar capacitatea de păstrare este, de asemenea, ridicată (84% la 3C, încărcarea în 1/3 dintr-o oră). Prototipul a trecut, de asemenea, testul dinamic de sarcină mecanică.
„Designul nostru asemănător coloanei vertebrale este mult mai robust din punct de vedere mecanic decât modelele convenționale”, spune Yang. „Anticipăm că metoda noastră bio-inspirată și scalabilă de fabricare a bateriilor Li-ion flexibile ar putea avansa în mare măsură comercializarea dispozitivelor flexibile.”