El nou disseny, amb forma de columna vertebral, permet una notable flexibilitat, alta densitat d’energia i tensió estable, independentment de la forma en què es flexioni o es torci
La tendència de l’electrònica flexible i portable augmenta ràpidament. Rellotges intel·ligents, vidres intel·ligents, sensors i pantalles flexibles, com ara telèfons intel·ligents, tauletes i televisors, etc. Per aquesta demanda, també es va incrementar la demanda de bateries flexibles d’alt rendiment. Fins ara, els investigadors s’enfronten a problemes per obtenir flexibilitat i alta densitat d’energia en les bateries de ions de liti.
Yuan Yang Professor assistent de ciència i enginyeria de materials al departament de física aplicada i matemàtiques de Columbia Engineering i el seu equip van desenvolupar un prototip capaç d’afrontar aquests reptes. L’equip de Yuan va donar forma al seu prototip de bateria flexible com la columna vertebral humana que permet una flexibilitat sorprenent amb una alta densitat d’energia i, a més, proporciona un voltatge estable fins i tot, no importa com es torça o es flexiona.
"La densitat d'energia del nostre prototip és una de les més elevades fins ara", diu Yang. “Hem desenvolupat un enfocament senzill i escalable per fabricar una bateria de ions de liti flexible, semblant a la columna vertebral, que té unes excel·lents propietats electroquímiques i mecàniques. El nostre disseny és un candidat molt prometedor com a bateria de liti-ió de primera generació, flexible i comercial. Ara estem optimitzant el disseny i millorant el seu rendiment ”.
L'equip Yuan s'inspira en el moviment flexible de la columna vertebral mentre feia exercici al gimnàs. Una columna vertebral humana és molt flexible i mecànicament robusta. Yuan va utilitzar el model de columna vertebral per construir la bateria amb el mateix disseny. El prototip té un segment ampli i sòlid que és capaç d’emmagatzemar energia girant els elèctrodes al voltant d’una part prima i flexible que connecta els elèctrodes. Segons el disseny de la columna vertebral humana, els elèctrodes representen "vèrtebres" i la part flexible representa "medul·la".
"Com que el volum de la peça d'elèctrode rígid és significativament més gran que la interconnexió flexible, la densitat d'energia d'una bateria tan flexible pot ser superior al 85% d'una bateria en un embalatge comercial estàndard", explica Yang. “A causa de l’elevada proporció de materials actius a tota l’estructura, la nostra bateria semblant a la columna vertebral presenta una densitat d’energia molt elevada, més alta que qualsevol altre informe que coneguem. La bateria també va sobreviure amb èxit a una dura prova de càrrega mecànica dinàmica a causa del nostre disseny racional inspirat en bio. "
L'equip de Yuan va separar l'ànode / separador / càtode / separador en llargues tires amb múltiples "branques" que s'estenen 90 graus de la "columna vertebral". A continuació, envolten cada branca al voltant de la columna vertebral per formar piles gruixudes per emmagatzemar energia, com vèrtebres en una columna vertebral. A causa d’aquest disseny únic, la densitat energètica de la bateria només està limitada pel percentatge longitudinal de piles semblants a les vèrtebres en comparació amb tota la longitud del dispositiu, que pot arribar a superar fàcilment el 90%.
Provant el prototip en bicicleta, van trobar un esquema de tensió estable, que va confirmar l’estabilitat mecànica del seu prototip. També el van flexionar i girar fins i tot després de la descàrrega, però el disseny és perfecte perquè no afectés el contorn del voltatge. La prova es realitza posant la bateria amb una densitat de corrent més alta i la capacitat de retenció també és elevada (84% a 3 ° C, la càrrega en 1/3 d’hora). El prototip també va superar la prova de càrrega mecànica dinàmica.
"El nostre disseny en forma de columna vertebral és molt més mecànicament robust que els dissenys convencionals", diu Yang. "Preveiem que el nostre mètode escalable i bioinspirat per fabricar bateries de ions de Li flexibles podria avançar considerablement en la comercialització de dispositius flexibles".