Сформований як хребет, новий дизайн забезпечує надзвичайну гнучкість, високу щільність енергії та стабільну напругу незалежно від того, як він згинається чи скручується
Тенденція гнучкої та носної електроніки стрімко зростає. Розумні годинники, розумне скло, датчики та гнучкі дисплеї, такі як смартфони, планшети та телевізори тощо. Для цього також зростав попит на високоефективні гнучкі акумулятори. До цього часу дослідники стикаються з проблемами як гнучкості, так і високої щільності енергії в літій-іонних акумуляторах.
Юань Ян, доцент кафедри матеріалознавства та техніки на кафедрі прикладної фізики та математики Columbia Engineering та його команда розробили прототип, який здатний вирішити ці проблеми. Команда Yuan створила свій гнучкий прототип батареї, як людський хребет, що забезпечує дивовижну гнучкість з високою щільністю енергії, а також забезпечує стабільну напругу, навіть неважливо, як вона скручена або зігнута.
"Щільність енергії нашого прототипу є однією з найвищих на сьогоднішній день", - говорить Ян. «Ми розробили простий та масштабований підхід для виготовлення гнучкої, подібної до хребта літій-іонної батареї, яка має відмінні електрохімічні та механічні властивості. Наш дизайн є дуже перспективним кандидатом як гнучка комерційна літій-іонна батарея першого покоління. Зараз ми оптимізуємо дизайн і покращуємо його ефективність ».
Команда Юань натхненна еластичним рухом хребта під час виконання вправ у тренажерному залі. Хребет людини є надзвичайно гнучким та механічно міцним. Юан використовував модель хребта для побудови батареї в тому ж дизайні. Прототип має широкий і твердий сегмент, який здатний накопичувати енергію, скручуючи електроди навколо тонкої гнучкої частини, яка з'єднує електроди між собою. Відповідно до конструкції хребта людини, електроди представляють “хребці”, а гнучка частина - “кістковий мозок”.
"Оскільки об'єм твердої електродної частини значно більший, ніж гнучке з'єднання, щільність енергії такої гнучкої батареї може перевищувати 85 відсотків батареї в стандартній комерційній упаковці", - пояснює Ян. «Через високу частку активних матеріалів у всій структурі наша батарея, схожа на хребет, демонструє дуже високу щільність енергії - вищу, ніж будь-які інші відомі нам відомості. Акумулятор також успішно пережив суворі динамічні випробування на механічне навантаження завдяки нашому раціональному дизайну з біологічним натхненням.
Команда Юаня розділила анод / сепаратор / катод / сепаратор на довгі смуги з безліччю «гілок», що тягнуться на 90 градусів від «магістралі». Потім вони обертають кожну гілку навколо хребта, утворюючи товсті стеки для зберігання енергії, як хребці в хребті. Завдяки цій унікальній конструкції щільність енергії батареї обмежена лише поздовжнім відсотком хребцеподібних штабелів порівняно з усією довжиною пристрою, яка може легко досягти понад 90 відсотків.
Випробовуючи прототип на велосипеді, вони виявили стабільний контур напруги, підтвердив механічну стійкість свого прототипу. Вони також згинали і крутили його навіть після розряду, але конструкція ідеальна, щоб це не впливало на контур напруги. Тестування проводиться шляхом встановлення акумулятора з більш високою щільністю струму, а утримання ємності також є високим (84 відсотки при 3 ° С, заряд за 1/3 години). Прототип також пройшов випробування на динамічне механічне навантаження.
"Наша конструкція, схожа на хребет, набагато механічніше, ніж звичайна конструкція", - говорить Ян. "Ми передбачаємо, що наш біоінспірований, масштабований метод виготовлення гнучких літій-іонних акумуляторів може суттєво сприяти комерціалізації гнучких пристроїв".