Het nieuwe ontwerp heeft de vorm van een ruggengraat en maakt opmerkelijke flexibiliteit, hoge energiedichtheid en stabiele spanning mogelijk, ongeacht hoe deze is gebogen of gedraaid
De trend van flexibele en draagbare elektronica stijgt snel. Slimme horloges, slim glas, sensoren en flexibele displays - zoals smartphones, tablets en tv's enz. Hiervoor nam ook de vraag naar krachtige flexibele batterijen toe. Tot nu toe worden onderzoekers geconfronteerd met problemen om zowel flexibiliteit als een hoge energiedichtheid in lithium-ionbatterijen te krijgen.
Yuan Yang Universitair docent materiaalkunde en -techniek bij de afdeling toegepaste natuurkunde en wiskunde bij Columbia Engineering en zijn team ontwikkelden een prototype dat deze uitdagingen aankan. Yuan Team vormde hun prototype van een flexibele batterij als de menselijke ruggengraat die verbazingwekkende flexibiliteit met een hoge energiedichtheid mogelijk maakt en ook een stabiele spanning biedt, zelfs als deze niet is gedraaid of gebogen.
"De energiedichtheid van ons prototype is een van de hoogste tot nu toe gerapporteerd", zegt Yang. “We hebben een eenvoudige en schaalbare benadering ontwikkeld om een flexibele, wervelkolomachtige lithium-ionbatterij te fabriceren die uitstekende elektrochemische en mechanische eigenschappen heeft. Ons ontwerp is een veelbelovende kandidaat als de eerste generatie, flexibele, commerciële lithium-ionbatterij. We optimaliseren nu het ontwerp en verbeteren de prestaties. "
Yuan Team geïnspireerd door de soepele beweging van de wervelkolom tijdens het sporten in de sportschool. Een menselijke wervelkolom is zeer flexibel en mechanisch robuust. Yuan gebruikte het rugmodel om de batterij in hetzelfde ontwerp te construeren. Het prototype heeft een breed en stevig segment dat in staat is om energie op te slaan door de elektroden rond een dun flexibel onderdeel te draaien dat de elektroden met elkaar verbindt. Volgens het ontwerp van de menselijke wervelkolom vertegenwoordigen de elektroden "wervels" en het flexibele deel vertegenwoordigt "merg".
"Aangezien het volume van het stijve elektrodedeel aanzienlijk groter is dan de flexibele verbinding, kan de energiedichtheid van zo'n flexibele batterij groter zijn dan 85 procent van een batterij in een standaard commerciële verpakking", legt Yang uit. “Vanwege het grote aandeel van de actieve materialen in de hele structuur, vertoont onze ruggengraatachtige batterij een zeer hoge energiedichtheid - hoger dan alle andere rapporten waarvan we op de hoogte zijn. De batterij doorstond ook met succes een zware dynamische mechanische belastingstest dankzij ons rationele bio-geïnspireerde ontwerp. "
Het team van Yuan scheidde de anode / scheider / kathode / scheider in lange stroken met meerdere "takken" die zich 90 graden uitstrekten vanaf de "ruggengraat". Vervolgens vouwen ze elke tak rond de ruggengraat om dikke stapels te vormen voor het opslaan van energie, zoals wervels in een ruggengraat. Dankzij dit unieke ontwerp wordt de energiedichtheid van de batterij alleen beperkt door het longitudinale percentage wervelachtige stapels in vergelijking met de hele lengte van het apparaat, dat gemakkelijk meer dan 90 procent kan bereiken.
Door het prototype te testen door te fietsen, vonden ze een stabiele spanningsomtrek, wat de mechanische stabiliteit van hun prototype bevestigde. Ze hebben het ook gebogen en gedraaid, zelfs na ontlading, maar het ontwerp is perfect dat het de spanningsomtrek niet beïnvloedde. Het testen wordt uitgevoerd door de batterij met een hogere stroomdichtheid te plaatsen en het capaciteitsbehoud is ook hoog (84 procent bij 3C, de lading in 1/3 van een uur). Het prototype heeft ook de dynamische mechanische belastingstest doorstaan.
"Ons ruggengraat-achtige ontwerp is mechanisch veel robuuster dan conventionele ontwerpen", zegt Yang. "We verwachten dat onze bio-geïnspireerde, schaalbare methode om flexibele Li-ion-batterijen te fabriceren de commercialisering van flexibele apparaten enorm zou kunnen bevorderen."