Новый дизайн, имеющий форму позвоночника, обеспечивает замечательную гибкость, высокую плотность энергии и стабильное напряжение независимо от того, как он изгибается или скручивается.
Тенденция гибкой и переносной электроники быстро растет. Умные часы, умное стекло, датчики и гибкие дисплеи, такие как смартфоны, планшеты, телевизоры и т. Д. В связи с этим вырос спрос на высокопроизводительные гибкие батареи. До сих пор исследователи сталкиваются с проблемами, связанными с обеспечением гибкости и высокой плотности энергии в литий-ионных батареях.
Юань Ян, доцент кафедры материаловедения и инженерии кафедры прикладной физики и математики Columbia Engineering, и его команда разработали прототип, способный справиться с этими проблемами. Команда Yuan разработала свой гибкий прототип батареи, похожий на человеческий позвоночник, который обеспечивает удивительную гибкость с высокой плотностью энергии, а также обеспечивает стабильное напряжение даже вне зависимости от того, как он скручен или изогнут.
«Плотность энергии нашего прототипа - одна из самых высоких на сегодняшний день», - говорит Ян. «Мы разработали простой и масштабируемый подход к изготовлению гибкой литий-ионной батареи в форме шипа, обладающей превосходными электрохимическими и механическими свойствами. Наша конструкция является очень многообещающим кандидатом в качестве гибкой коммерческой литий-ионной батареи первого поколения. Сейчас мы оптимизируем конструкцию и улучшаем ее производительность ».
Команда Yuan вдохновлена гибкими движениями позвоночника при выполнении упражнений в тренажерном зале. Человеческий позвоночник очень гибкий и механически прочный. Юань использовал модель позвоночника, чтобы сконструировать батарею той же конструкции. Прототип имеет широкий и прочный сегмент, который может накапливать энергию, скручивая электроды вокруг тонкой гибкой части, соединяющей электроды вместе. По конструкции позвоночника человека электроды представляют собой «позвонки», а гибкая часть - «костный мозг».
«Поскольку объем жесткой электродной части значительно больше, чем у гибкого межсоединения, удельная энергия такой гибкой батареи может превышать 85 процентов батареи в стандартной коммерческой упаковке», - объясняет Ян. «Из-за высокой доли активных материалов во всей конструкции наша шиповидная батарея показывает очень высокую плотность энергии - выше, чем в любых других известных нам отчетах. Батарея также успешно выдержала жесткие испытания на динамическую механическую нагрузку благодаря нашему рациональному био-дизайну ».
Команда Юаня разделила анод / сепаратор / катод / сепаратор на длинные полосы с множеством «ответвлений», отходящих на 90 градусов от «магистрали». Затем они обвивают каждую ветвь вокруг позвоночника, образуя толстые стеки для хранения энергии, как позвонки в позвоночнике. Благодаря этой уникальной конструкции плотность энергии батареи ограничена только продольным процентом позвонковидных стопок по сравнению со всей длиной устройства, которая может легко достигать более 90 процентов.
Тестируя прототип на велосипеде, они обнаружили стабильный контур напряжения, подтвердили механическую стабильность своего прототипа. Они также сгибали и скручивали его даже после разряда, но конструкция идеальна, что не влияло на контур напряжения. Тестирование выполняется путем установки батареи с более высокой плотностью тока и сохранение емкости также высокое (84 процента при 3С, заряд за 1/3 часа). Прототип также прошел испытание на динамическую механическую нагрузку.
«Наша конструкция, напоминающая позвоночник, гораздо более прочна с механической точки зрения, чем традиционные конструкции», - говорит Ян. «Мы ожидаем, что наш масштабируемый биологический метод производства гибких литий-ионных аккумуляторов может значительно ускорить коммерциализацию гибких устройств».