Быстрое развитие гибкой и носимой электроники придает рост широкому спектру приложений: от смарт-часов, гибких дисплеев, смартфонов, планшетов, телевизоров до смарт-материалов, смарт-стекла, датчиков и т.д. Благодаря этому росту спрос на высокопроизводительные гибкие батареи возрос. Однако до сих пор исследователи испытывали трудности с одновременным получением как хорошей гибкости, так и высокой плотности энергии в Li-ion батареях.
Команда во главе с Юань Яном (Yuan Yang), доцентом по материаловедению и технике в отделе прикладной физики и математики в школе инженерных и прикладных наук Колумбийского университета, разработала прототип, который решает эту проблему: Li-ion батарея, подобная человеческому позвоночнику, которая обеспечивает замечательную гибкость, высокую плотность энергии и стабильное напряжение независимо от того, как она изгибается или скручивается.
«Плотность энергии нашего прототипа является одной из самых высоких до сих пор», - говорит Ян. «Мы разработали простой и масштабируемый подход к изготовлению гибкой литий-ионной батареи, подобной позвоночнику, которая обладает отличными электрохимическими и механическими свойствами. Наш дизайн является очень перспективным кандидатом в качестве литий-ионной батареи первого поколения, гибкой и коммерческой. Теперь мы оптимизирем дизайн и улучшаем его производительность».
Ян, чья группа исследует состав и структуру материалов батарей для достижения высокой производительности, была вдохновлена гибкостью позвоночника при выполнении приседаний в тренажерном зале. Человеческий позвоночник очень гибкий и поворачиваемый, а также механически прочный, поскольку он содержит компоненты мягкого костного мозга, которые соединяют жесткие позвонков. Ян использовал модель позвоночника для создания батареи с аналогичной структурой. Его прототип имеет толстый жесткий сегмент, который хранит энергию, путем изгибания электродов («позвонки») вокруг тонкой гибкой части («костный мозг»), которая соединяет позвонко-подобные стеки электродов вместе. Его конструкция обеспечивает отличную гибкость для всей батареи.
«Поскольку объем жесткой электродной части значительно больше, чем гибкое соединение, плотность энергии такой гибкой аккумуляторной батареи может составлять более 85 процентов батареи в стандартной коммерческой упаковке», - объясняет Ян. «Из-за высокой доли активных материалов во всей структуре наша спинно-подобная батарея демонстрирует очень высокую плотность энергии - выше, чем любые другие отчеты, о которых мы знаем. Батарея также успешно пережила жесткую динамическую механическую нагрузку из-за нашего рационального дизайна с био-вдохновением».
Команда Яна рассекла общепринятые стеки анод/изолятор/катод/изолятор на длинные полосы с несколькими «ветвями», простирающимися на 90 градусов от «спинного хребта». Затем они обертывают каждую ветвь вокруг хребта, образуя толстые стеки для хранения энергии, такие как позвонки в позвоночнике. Благодаря этому интегрированному дизайну плотность энергии батареи ограничена только продольным процентом позвонкообразных стеков по сравнению со всей длиной устройства, которая может легко достигать более 90 процентов.
Схема конструкции и процесса изготовления позвоночнико-подобной батареи. Фото: Yuan Yang/Columbia Engineering
Батарея показывает стабильную емкость при циклах заряд-разряд, а также стабильный профиль напряжения независимо от того, как она изгибается или скручивается. После циклов заряд-разряд команда разобрала батарею, чтобы изучить изменение морфологии электродных материалов. Они обнаружили, что положительный электрод был цел и не поврежден, без очевидного растрескивания или отслаивания от алюминиевой фольги, что подтвердило механическую стабильность их конструкции. Чтобы еще раз продемонстрировать гибкость их конструкции, исследователи непрерывно изгибали или скручивали батарею во время разряда, обнаружив, что ни изгиб, ни скручивание не прервали кривую напряжения. Даже когда ячейка непрерывно изгибалась и скручивалась во время всего разряда, профиль напряжения оставался неизменным. Батарея в гибком состоянии также подвергалась циклированию при более высоких плотностях тока, а удерживание мощности было довольно высоким (84% при 3°С, заряд в 1/3 часа). Батарея также пережила непрерывную динамическую механическую нагрузку, которая редко упоминается в предыдущих исследованиях.
Видео, демонстрирующее гибкость литий-ионной батареи, питающей интеллектуальные часы, в плоских, сгибаемых и скрученных конфигурациях:
Видео теста на динамическую механическую нагрузку, демонстрирующего гибкость литий-ионной батареи:
«Наш дизайн, подобный позвоночнику, гораздо более механически прочен, чем обычные конструкции. Мы ожидаем, что наш био-инспирированнный, масштабируемый метод изготовления гибких литий-ионных батарей может значительно способствовать коммерциализации гибких устройств», - говорит Ян.
Исследование называется «Био-инспирированнные позвоночнико-подобные гибкие литий-ионные батареи с высокой плотностью энергии» и опубликовано в журнале Advanced Materials
Источник: techxplore.com
