Formad som en ryggrad, ny design möjliggör enastående flexibilitet, hög energitäthet och stabil spänning oavsett hur den böjs eller vrids
Trenden med flexibel och bärbar elektronik ökar snabbt. Smarta klockor, smart glas, sensorer och flexibla skärmar - som smartphones, surfplattor och TV-apparater etc. För detta ökade också efterfrågan på högpresterande flexibla batterier. Hittills har forskare problem med att få både flexibilitet och hög energitäthet i litiumjonbatterier.
Yuan Yang biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid institutionen för tillämpad fysik och matematik vid Columbia Engineering och hans team utvecklade en prototyp som kan möta dessa utmaningar. Yuan Team formade sin flexibla batteriprototyp som den mänskliga ryggraden som möjliggör fantastisk flexibilitet med hög energitäthet, och ger också stabil spänning även om det inte spelar någon roll hur den vrids eller böjs.
"Energidensiteten hos vår prototyp är en av de högsta rapporterade hittills", säger Yang. ”Vi har utvecklat ett enkelt och skalbart tillvägagångssätt för att tillverka ett flexibelt ryggradsliknande litiumjonbatteri som har utmärkta elektrokemiska och mekaniska egenskaper. Vår design är en mycket lovande kandidat som första generationens, flexibla, kommersiella litiumjonbatteri. Vi optimerar nu designen och förbättrar dess prestanda. ”
Yuan Team inspirerat av den smidiga rörelsen i ryggraden medan du tränar i gymmet. En mänsklig ryggrad är mycket flexibel och mekaniskt robust. Yuan använde ryggradsmodellen för att konstruera batteriet i samma design. Prototypen har ett brett och solidt segment som kan lagra energi genom att vrida elektroderna runt en tunn flexibel del som förbinder elektroderna med varandra. Enligt den mänskliga ryggradens design representerar elektroderna "ryggkotor" och den flexibla delen representerar "märg".
"Eftersom volymen på den styva elektroddelen är betydligt större än den flexibla sammankopplingen, kan energitätheten hos ett sådant flexibelt batteri vara större än 85 procent av ett batteri i standard kommersiell förpackning", förklarar Yang. ”På grund av den höga andelen aktiva material i hela strukturen visar vårt ryggradsbatteri mycket hög energitäthet - högre än några andra rapporter vi känner till. Batteriet överlevde också framgångsrikt ett hårt dynamiskt mekaniskt belastningstest på grund av vår rationella bioinspirerade design. ”
Yuans team separerade anoden / separator / katod / separator i långa remsor med flera "grenar" som sträcker sig 90 grader från "ryggraden". Sedan viks de varje gren runt ryggraden för att bilda tjocka staplar för att lagra energi, som ryggkotor i en ryggrad. På grund av den här unika designen begränsas batteriets energitäthet endast av den längsgående andelen ryggkotorliknande staplar jämfört med hela enhetens längd, som lätt kan nå över 90 procent.
Testa prototypen genom att cykla, de hittade en stabil spänningsplan, bekräftade den mekaniska stabiliteten i deras prototyp. De böjde och vridde den även efter urladdning men designen är perfekt för att den inte påverkade spänningen. Testningen utförs genom att batteriet har högre strömtäthet och kapacitetsretentionen är också hög (84 procent vid 3C, laddningen på 1/3 av en timme). Prototypen klarade också det dynamiska mekaniska belastningstestet.
"Vår ryggradsliknande design är mycket mer mekaniskt robust än konventionell design", säger Yang. "Vi förväntar oss att vår bioinspirerade, skalbara metod för att tillverka flexibla Li-ion-batterier kan kraftigt främja kommersialiseringen av flexibla enheter."