Оформен като гръбначен стълб, новият дизайн позволява забележителна гъвкавост, висока енергийна плътност и стабилно напрежение, независимо как е огънат или усукан
Тенденцията на гъвкавата и носеща се електроника бързо нараства. Интелигентни часовници, интелигентно стъкло, сензори и гъвкави дисплеи - като смартфони, таблети и телевизори и т.н. За това търсенето на гъвкави батерии с висока производителност също се увеличи. Досега изследователите са изправени пред проблеми, за да получат както гъвкавост, така и висока енергийна плътност в литиево-йонните батерии.
Юан Ян Асистент по материалознание и инженерство в катедрата по приложна физика и математика в Columbia Engineering и неговият екип разработиха прототип, който е в състояние да се справи с тези предизвикателства. Екипът на Yuan оформи своя гъвкав прототип на батерията като човешкия гръбнак, който позволява невероятна гъвкавост с висока енергийна плътност, а също така осигурява стабилно напрежение, дори без значение как е усукано или огънато.
„Енергийната плътност на нашия прототип е една от най-високите отчетени досега“, казва Ян. „Разработихме прост и мащабируем подход за производство на гъвкава литиево-йонна батерия, подобна на гръбначния стълб, която има отлични електрохимични и механични свойства. Нашият дизайн е много обещаващ кандидат като първото поколение, гъвкава, търговска литиево-йонна батерия. Сега оптимизираме дизайна и подобряваме неговите характеристики. "
Екипът на Yuan, вдъхновен от еластичното движение на гръбначния стълб, докато правите упражнения във фитнеса. Човешкият гръбнак е силно гъвкав и механично здрав. Юан използва модела на гръбначния стълб, за да конструира батерията в същия дизайн. Прототипът има широк и солиден сегмент, който е в състояние да съхранява енергия чрез усукване на електродите около тънка гъвкава част, която свързва електродите заедно. Според дизайна на човешкия гръбнак електродите представляват „прешлени“, а гъвкавата част представлява „костен мозък“.
„Тъй като обемът на твърдата електродна част е значително по-голям от гъвкавата взаимовръзка, енергийната плътност на такава гъвкава батерия може да бъде по-голяма от 85 процента от батерията в стандартните търговски опаковки“, обяснява Ян. „Поради големия дял на активните материали в цялата структура, нашата подобна на гръбначния стълб батерия показва много висока енергийна плътност - по-висока от всички други доклади, за които сме запознати. Батерията също така успешно преживя тежки динамични тестове за механично натоварване поради нашия рационален био-вдъхновен дизайн. "
Екипът на Yuan отдели анода / сепаратора / катода / сепаратора на дълги ленти с множество „клони”, простиращи се на 90 градуса от „гръбнака”. След това те обгръщат всеки клон около гръбнака, за да образуват дебели купчини за съхранение на енергия, като прешлени в гръбначния стълб. Благодарение на този уникален дизайн, енергийната плътност на батерията е ограничена само от надлъжния процент стекове, подобни на прешлени, в сравнение с цялата дължина на устройството, което може лесно да достигне над 90 процента.
Тествайки прототипа чрез колоездене, те откриха стабилни контури на напрежението, потвърдиха механичната стабилност на техния прототип. Те също така се огъват и усукват дори след разреждане, но дизайнът е перфектен, че не влияе върху контура на напрежението. Тестването се извършва чрез поставяне на батерията с по-висока плътност на тока и запазването на капацитета също е високо (84% при 3C, зареждането за 1/3 от час). Прототипът също премина тест за динамично механично натоварване.
„Нашият дизайн, подобен на гръбначния стълб, е много по-механично здрав, отколкото конвенционалните конструкции“, казва Ян. „Очакваме, че нашият био-вдъхновен, мащабируем метод за производство на гъвкави литиево-йонни батерии може значително да ускори комерсиализацията на гъвкавите устройства.“