Nowa konstrukcja w kształcie kręgosłupa zapewnia niezwykłą elastyczność, wysoką gęstość energii i stabilne napięcie bez względu na to, jak jest zgięte lub skręcone
Trend dotyczący elastycznej i nadającej się do noszenia elektroniki szybko rośnie. Inteligentne zegarki, inteligentne szkło, czujniki i elastyczne wyświetlacze, takie jak smartfony, tablety, telewizory itp. W związku z tym wzrosło również zapotrzebowanie na wysokowydajne elastyczne baterie. Do tej pory naukowcy borykali się z problemami związanymi z uzyskaniem zarówno elastyczności, jak i wysokiej gęstości energii w akumulatorach litowo-jonowych.
Yuan Yang Adiunkt nauk o materiałach i inżynierii na wydziale fizyki stosowanej i matematyki w Columbia Engineering i jego zespół opracował prototyp, który jest w stanie sprostać tym wyzwaniom. Zespół Yuan ukształtował swój elastyczny prototyp baterii jak ludzki kręgosłup, który zapewnia niesamowitą elastyczność przy wysokiej gęstości energii, a także zapewnia stabilne napięcie, nawet bez względu na to, jak jest skręcony lub zgięty.
„Gęstość energii naszego prototypu jest jedną z najwyższych odnotowanych do tej pory” - mówi Yang. „Opracowaliśmy proste i skalowalne podejście do wytwarzania elastycznej, przypominającej kręgosłup baterii litowo-jonowej, która ma doskonałe właściwości elektrochemiczne i mechaniczne. Nasz projekt jest bardzo obiecującym kandydatem na elastyczny, komercyjny akumulator litowo-jonowy pierwszej generacji. Obecnie optymalizujemy projekt i poprawiamy jego wydajność ”.
Yuan Team zainspirował się elastycznym ruchem kręgosłupa podczas ćwiczeń na siłowni. Ludzki kręgosłup jest bardzo elastyczny i wytrzymały mechanicznie. Yuan użył modelu kręgosłupa do skonstruowania baterii w tym samym projekcie. Prototyp ma szeroki i solidny segment, który jest w stanie magazynować energię, obracając elektrody wokół cienkiej elastycznej części, która łączy elektrody ze sobą. Zgodnie z projektem ludzkiego kręgosłupa elektrody reprezentują „kręgi”, a część elastyczna reprezentuje „szpik kostny”.
„Ponieważ objętość sztywnej części elektrody jest znacznie większa niż elastycznego połączenia, gęstość energii takiej elastycznej baterii może przekraczać 85 procent baterii w standardowym opakowaniu handlowym” - wyjaśnia Yang. „Ze względu na wysoki udział materiałów aktywnych w całej konstrukcji, nasz przypominający kręgosłup akumulator wykazuje bardzo dużą gęstość energii - wyższą niż jakiekolwiek inne znane nam raporty. Akumulator z powodzeniem przetrwał również trudny dynamiczny test obciążenia mechanicznego dzięki naszemu racjonalnemu projektowi inspirowanemu biologią ”.
Zespół Yuana podzielił anodę / separator / katodę / separator na długie paski z wieloma „rozgałęzieniami” rozciągającymi się pod kątem 90 stopni od „kręgosłupa”. Następnie otaczają każdą gałąź wokół kręgosłupa, tworząc grube stosy magazynowania energii, jak kręgi w kręgosłupie. Dzięki tej unikalnej konstrukcji gęstość energii baterii jest ograniczona tylko przez podłużny procent stosów przypominających kręgi w stosunku do całej długości urządzenia, który z łatwością może osiągnąć ponad 90 procent.
Podczas testowania prototypu cyklicznie odkryli stabilny zarys napięcia, potwierdzając mechaniczną stabilność prototypu. One również wyginały się i skręcały nawet po rozładowaniu, ale konstrukcja jest idealna, że nie wpłynęło to na zarys napięcia. Testowanie odbywa się poprzez umieszczenie akumulatora o większej gęstości prądu, a zachowanie pojemności jest również wysokie (84 procent w 3C, ładowanie w 1/3 godziny). Prototyp przeszedł również test dynamicznego obciążenia mechanicznego.
„Nasza konstrukcja przypominająca kręgosłup jest znacznie bardziej wytrzymała mechanicznie niż konwencjonalne konstrukcje” - mówi Yang. „Przewidujemy, że nasza inspirowana biologicznie, skalowalna metoda wytwarzania elastycznych akumulatorów litowo-jonowych może znacznie przyspieszyć komercjalizację elastycznych urządzeń”.