Oblikovan poput kralježnice, novi dizajn omogućuje izvanrednu fleksibilnost, visoku gustoću energije i stabilan napon bez obzira na to kako je savijen ili uvijen
Trend fleksibilne i nosive elektronike brzo raste. Pametni satovi, pametno staklo, senzori i fleksibilni zasloni - poput pametnih telefona, tableta i televizora itd. Zbog toga se povećala i potražnja za fleksibilnim baterijama visokih performansi. Do sada su istraživači suočeni s problemima kako postići i fleksibilnost i visoku energetsku gustoću u litij-ionskim baterijama.
Yuan Yang docent za znanost i inženjerstvo materijala na odjelu primijenjene fizike i matematike na Columbia Engineering i njegov tim razvili su prototip koji je u stanju suočiti se s tim izazovima. Yuan tim oblikovao je svoj prototip fleksibilne baterije poput ljudske kralježnice koja omogućuje nevjerojatnu fleksibilnost s velikom gustoćom energije, a također pruža stabilan napon čak i bez obzira na to kako je uvijena ili savijena.
"Gustoća energije našeg prototipa jedna je od najvećih do sada zabilježenih", kaže Yang. „Razvili smo jednostavan i skalabilan pristup za proizvodnju fleksibilne litij-ionske baterije nalik kralježnici koja ima izvrsna elektrokemijska i mehanička svojstva. Naš dizajn vrlo je obećavajući kandidat kao prva generacija, fleksibilna, komercijalna litij-ionska baterija. Sada optimiziramo dizajn i poboljšavamo njegove performanse. "
Yuan Team nadahnut gipkim pokretima kralježnice tijekom vježbanja u teretani. Ljudska kralježnica izuzetno je fleksibilna i mehanički robusna. Yuan je pomoću modela kralježnice konstruirao bateriju u istom dizajnu. Prototip ima širok i čvrst segment koji je u stanju pohraniti energiju uvijanjem elektroda oko tankog savitljivog dijela koji elektrode povezuje. Prema dizajnu ljudske kralježnice, elektrode predstavljaju "kralježak", a fleksibilni dio predstavlja "srž".
"Kako je volumen krutog dijela elektrode znatno veći od fleksibilne međusobne povezanosti, gustoća energije takve fleksibilne baterije može biti veća od 85 posto baterije u standardnom komercijalnom pakiranju", objašnjava Yang. „Zbog visokog udjela aktivnih materijala u cijeloj strukturi, naša baterija nalik kralježnici pokazuje vrlo visoku gustoću energije - veću od bilo kojeg drugog izvještaja kojeg smo svjesni. Baterija je također uspješno preživjela oštre testove dinamičkog mehaničkog opterećenja zbog našeg racionalnog dizajna nadahnutog bio-tehnologijom. "
Yuanov tim odvojio je anodu / separator / katodu / separator u duge trake s višestrukim "granama" koje se protežu za 90 stupnjeva od "kralježnice". Zatim obavijaju svaku granu oko kralježnice oblikujući guste hrpe za pohranu energije, poput kralješaka u kralježnici. Zbog ovog jedinstvenog dizajna, gustoća energije baterije ograničena je samo uzdužnim postotkom hrpa nalik kralješcima u usporedbi s cijelom duljinom uređaja, koji lako može doseći i preko 90 posto.
Testirajući prototip biciklizmom, pronašli su stabilne konture napona, što je potvrdilo mehaničku stabilnost njihovog prototipa. Također su ga savili i zavrnuli čak i nakon pražnjenja, ali dizajn je savršen da nije utjecao na obrise napona. Ispitivanje se izvodi stavljanjem baterije s većom gustoćom struje, a zadržavanje kapaciteta je također veliko (84 posto pri 3C, punjenje za 1/3 sata). Prototip je također prošao test dinamičkog mehaničkog opterećenja.
"Naš dizajn poput kralježnice mehanički je robusniji od uobičajenih dizajna", kaže Yang. "Očekujemo da bi naša bio-nadahnuta, skalabilna metoda za proizvodnju fleksibilnih Li-ion baterija mogla uvelike unaprijediti komercijalizaciju fleksibilnih uređaja."