Ve tvaru páteře umožňuje nový design pozoruhodnou flexibilitu, vysokou hustotu energie a stabilní napětí bez ohledu na to, jak je ohnutý nebo zkroucený
Trend flexibilní a nositelné elektroniky rychle stoupá. Chytré hodinky, inteligentní sklo, senzory a flexibilní displeje - jako jsou smartphony, tablety a televizory atd. Z tohoto důvodu také vzrostla poptávka po vysoce výkonných flexibilních bateriích. Až dosud vědci čelí problémům, jak získat flexibilitu a vysokou hustotu energie v lithium-iontových bateriích.
Yuan Yang Odborný asistent vědy o materiálech a inženýrství na katedře aplikované fyziky a matematiky na Columbia Engineering a jeho tým vyvinuli prototyp, který je schopen těmto výzvám čelit. Yuan Team formoval svůj prototyp flexibilní baterie jako lidská páteř, která umožňuje úžasnou flexibilitu s vysokou hustotou energie a také poskytuje stabilní napětí, i když nezáleží na tom, jak je zkroucené nebo ohnuté.
"Energetická hustota našeho prototypu je jednou z nejvyšších dosud zaznamenaných," říká Yang. "Vyvinuli jsme jednoduchý a škálovatelný přístup k výrobě flexibilní lithium-iontové baterie podobné páteři, která má vynikající elektrochemické a mechanické vlastnosti." Náš design je velmi slibným kandidátem na flexibilní, komerční lithium-iontovou baterii první generace. Nyní optimalizujeme design a zlepšujeme jeho výkon. “
Yuan Team inspirovaný pružným pohybem páteře při cvičení v tělocvičně. Lidská páteř je vysoce flexibilní a mechanicky robustní. Yuan použil model páteře ke konstrukci baterie ve stejném designu. Prototyp má široký a pevný segment, který je schopen ukládat energii kroucením elektrod kolem tenké pružné části, která spojuje elektrody dohromady. Podle designu lidské páteře představují elektrody „obratle“ a pružná část představuje „kostní dřeň“.
"Jelikož je objem tuhé části elektrody podstatně větší než flexibilní propojení, může být hustota energie takové flexibilní baterie větší než 85 procent baterie ve standardním komerčním balení," vysvětluje Yang. "Vzhledem k vysokému podílu aktivních materiálů v celé struktuře vykazuje naše baterie podobná páteři velmi vysokou hustotu energie - vyšší než jakékoli jiné zprávy, o kterých víme." Baterie také úspěšně přežila tvrdý test dynamického mechanického zatížení díky našemu racionálnímu designu inspirovanému biologií. “
Yuanův tým rozdělil anodu / separátor / katodu / separátor na dlouhé proužky s několika „větvemi“ vystupujícími 90 stupňů od „páteře“. Poté obtočí každou větev kolem páteře a vytvoří tlusté hromádky pro ukládání energie, jako jsou obratle v páteři. Díky této jedinečné konstrukci je hustota energie baterie omezena pouze podélným procentem obratlů podobných zásobníků ve srovnání s celou délkou zařízení, které může snadno dosáhnout více než 90 procent.
Při testování prototypu na kole našli stabilní obrys napětí, který potvrdil mechanickou stabilitu jejich prototypu. Rovněž jej ohnuli a zkroutili i po vybití, ale design je dokonalý, že to neovlivnilo obrys napětí. Testování se provádí vložením baterie s vyšší hustotou proudu a vysoká je také udržení kapacity (84 procent při 3 ° C, nabití za 1/3 hodiny). Prototyp také prošel testem dynamického mechanického zatížení.
"Náš design podobný páteři je mnohem mechaničtější než běžné konstrukce," říká Yang. "Předpokládáme, že naše biologicky inspirovaná, škálovatelná metoda výroby flexibilních lithium-iontových baterií by mohla výrazně urychlit komercializaci flexibilních zařízení."