Formet som en rygsøjle, nyt design muliggør bemærkelsesværdig fleksibilitet, høj energitæthed og stabil spænding, uanset hvordan den bøjes eller vrides
Trenden med fleksibel og bærbar elektronik stiger hurtigt. Smart ure, smart glas, sensorer og fleksible skærme - såsom smartphones, tablets og tv osv. For dette øgede også efterspørgslen efter højtydende fleksible batterier. Indtil nu har forskere problemer med at få både fleksibilitet og høj energitæthed i lithium-ion-batterier.
Yuan Yang Assistent professor i materialevidenskab og teknik i afdelingen for anvendt fysik og matematik ved Columbia Engineering og hans team udviklede en prototype, der er i stand til at tackle disse udfordringer. Yuan Team formede deres fleksible batteriprototype som den menneskelige rygsøjle, der giver fantastisk fleksibilitet med høj energitæthed og giver også stabil spænding, selvom det ikke betyder noget, hvordan det vrides eller bøjes.
”Energitætheden af vores prototype er en af de hidtil højeste rapporterede,” siger Yang. ”Vi har udviklet en enkel og skalerbar tilgang til at fremstille et fleksibelt rygsøjlelignende lithiumionbatteri, der har fremragende elektrokemiske og mekaniske egenskaber. Vores design er en meget lovende kandidat som første generation, fleksibelt, kommercielt lithium-ion-batteri. Vi optimerer nu designet og forbedrer dets ydeevne. ”
Yuan Team inspireret af den smidige bevægelse af rygsøjlen, mens du træner i gymnastiksalen. En menneskelig rygsøjle er meget fleksibel og mekanisk robust. Yuan brugte rygmodellen til at konstruere batteriet i samme design. Prototypen har et bredt og solidt segment, der er i stand til at lagre energi ved at dreje elektroderne omkring en slank, fleksibel del, der forbinder elektroderne sammen. I henhold til menneskelig rygsøjledesign repræsenterer elektroderne "ryghvirvler" og fleksibel del repræsenterer "marv".
”Da lydstyrken på den stive elektrodedel er betydeligt større end den fleksible sammenkobling, kan energitætheden for et sådant fleksibelt batteri være større end 85 procent af et batteri i standard kommerciel emballage,” forklarer Yang. ”På grund af den høje andel af de aktive materialer i hele strukturen viser vores ryglignende batteri meget høj energitæthed - højere end andre rapporter, vi er opmærksomme på. Batteriet overlevede også med succes en hård dynamisk mekanisk belastningstest på grund af vores rationelle bioinspirerede design. ”
Yuan's team adskilt anoden / separatoren / katoden / separatoren i lange strimler med flere "grene", der strækker sig 90 grader fra "rygraden". Derefter lægger de hver gren rundt om rygraden for at danne tykke stakke til opbevaring af energi, som hvirvler i en rygsøjle. På grund af dette unikke design er batteriets energitæthed kun begrænset af længdeprocenten af ryghvirvellignende stakke sammenlignet med hele enhedens længde, som let kan nå over 90 procent.
Ved at teste prototypen ved at cykle fandt de en stabil spændingsoversigt og bekræftede den mekaniske stabilitet af deres prototype. De bøjede og snoede det også efter afladning, men designet er perfekt, så det ikke påvirker spændingsoversigten. Testen udføres ved at sætte batteriet med højere strømtæthed, og kapacitetsfastholdelse er også høj (84 procent ved 3C, opladningen på 1/3 af en time). Prototypen bestod også den dynamiske mekaniske belastningstest.
”Vores ryglignende design er meget mere mekanisk robust end konventionelle designs,” siger Yang. "Vi forventer, at vores bio-inspirerede, skalerbare metode til fremstilling af fleksible Li-ion-batterier i høj grad kan fremme kommercialiseringen af fleksible enheder."