Das neue Design ist wie eine Wirbelsäule geformt und ermöglicht bemerkenswerte Flexibilität, hohe Energiedichte und stabile Spannung, unabhängig davon, wie es gebogen oder verdreht ist
Der Trend zu flexibler und tragbarer Elektronik nimmt rasant zu. Intelligente Uhren, intelligentes Glas, Sensoren und flexible Displays wie Smartphones, Tablets und Fernseher usw. Damit stieg auch die Nachfrage nach flexiblen Hochleistungsbatterien. Bisher haben Forscher Probleme, sowohl Flexibilität als auch hohe Energiedichte in Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen.
Yuan Yang Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik am Fachbereich Angewandte Physik und Mathematik von Columbia Engineering und sein Team entwickelten einen Prototyp, der diesen Herausforderungen gewachsen ist. Das Yuan Team hat seinen Prototyp einer flexiblen Batterie wie die menschliche Wirbelsäule geformt, die eine erstaunliche Flexibilität bei hoher Energiedichte ermöglicht und auch eine stabile Spannung liefert, selbst wenn es darum geht, wie sie verdreht oder gebogen wird.
„Die Energiedichte unseres Prototyps ist eine der höchsten, über die bisher berichtet wurde“, sagt Yang. „Wir haben einen einfachen und skalierbaren Ansatz entwickelt, um eine flexible, rückenartige Lithium-Ionen-Batterie mit hervorragenden elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen. Unser Design ist ein vielversprechender Kandidat für die flexible, kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie der ersten Generation. Wir optimieren jetzt das Design und verbessern seine Leistung. “
Das Yuan-Team ist von der geschmeidigen Bewegung der Wirbelsäule beim Training im Fitnessstudio inspiriert. Eine menschliche Wirbelsäule ist hochflexibel und mechanisch robust. Yuan verwendete das Wirbelsäulenmodell, um die Batterie im gleichen Design zu konstruieren. Der Prototyp hat ein breites und festes Segment, das Energie speichern kann, indem die Elektroden um ein schlankes flexibles Teil gedreht werden, das die Elektroden miteinander verbindet. Gemäß dem Design der menschlichen Wirbelsäule stehen die Elektroden für "Wirbel" und der flexible Teil für "Mark".
„Da das Volumen des starren Elektrodenteils erheblich größer ist als die flexible Verbindung, kann die Energiedichte einer solchen flexiblen Batterie in handelsüblichen Standardverpackungen mehr als 85 Prozent einer Batterie betragen“, erklärt Yang. „Aufgrund des hohen Anteils der aktiven Materialien an der gesamten Struktur weist unsere rückenartige Batterie eine sehr hohe Energiedichte auf - höher als alle anderen uns bekannten Berichte. Die Batterie hat aufgrund unseres rationalen, biologisch inspirierten Designs auch einen harten dynamischen mechanischen Belastungstest erfolgreich überstanden. “
Yuans Team trennte die Anode / den Separator / die Kathode / den Separator in lange Streifen mit mehreren „Zweigen“, die sich um 90 Grad vom „Rückgrat“ erstrecken. Dann falten sie jeden Ast um das Rückgrat, um dicke Stapel zur Speicherung von Energie zu bilden, wie Wirbel in einer Wirbelsäule. Aufgrund dieses einzigartigen Designs ist die Energiedichte der Batterie nur durch den Längsprozentsatz der wirbelartigen Stapel im Vergleich zur gesamten Länge des Geräts begrenzt, die leicht über 90 Prozent erreichen kann.
Beim Testen des Prototyps durch Radfahren fanden sie einen stabilen Spannungsumriss und bestätigten die mechanische Stabilität ihres Prototyps. Sie haben es auch nach der Entladung gebogen und verdreht, aber das Design ist perfekt, so dass es den Spannungsumriss nicht beeinflusst. Der Test wird durchgeführt, indem der Akku mit einer höheren Stromdichte ausgestattet wird und die Kapazitätsbeibehaltung ebenfalls hoch ist (84 Prozent bei 3 ° C, die Ladung in 1/3 Stunde). Der Prototyp bestand auch den dynamisch-mechanischen Belastungstest.
„Unser rückenartiges Design ist mechanisch viel robuster als herkömmliche Designs“, sagt Yang. "Wir gehen davon aus, dass unsere bioinspirierte, skalierbare Methode zur Herstellung flexibler Li-Ionen-Batterien die Kommerzialisierung flexibler Geräte erheblich vorantreiben könnte."