V obliki hrbtenice, nova zasnova omogoča izjemno prilagodljivost, visoko energijsko gostoto in stabilno napetost, ne glede na to, kako je upognjena ali zvita
Trend prilagodljive in nosljive elektronike hitro narašča. Pametne ure, pametno steklo, senzorji in prilagodljivi zasloni, kot so pametni telefoni, tablični računalniki in televizorji itd. Do zdaj se raziskovalci soočajo s težavami pri zagotavljanju tako prožnosti kot visoke gostote energije v litij-ionskih baterijah.
Yuan Yang, docent za znanost in tehniko materialov na oddelku za uporabno fiziko in matematiko na Columbia Engineering, je s svojo ekipo razvil prototip, ki se je sposoben soočiti s temi izzivi. Skupina Yuan je svoj prototip prožne baterije oblikovala kot človeška hrbtenica, ki omogoča neverjetno fleksibilnost z visoko energijsko gostoto in zagotavlja tudi stabilno napetost, čeprav ni pomembno, kako je zvita ali upognjena.
"Gostota energije našega prototipa je ena največjih doslej," pravi Yang. »Razvili smo preprost in prilagodljiv pristop za izdelavo prožne hrbtenice podobne litij-ionske baterije, ki ima odlične elektrokemične in mehanske lastnosti. Naš dizajn je zelo obetaven kandidat kot prva generacija, prilagodljiva, komercialna litij-ionska baterija. Zdaj optimiziramo dizajn in izboljšujemo njegovo zmogljivost. "
Ekipa Yuan, ki jo je med vadbo v telovadnici navdihnilo gibčno gibanje hrbtenice. Človeška hrbtenica je zelo prožna in mehansko robustna. Yuan je z modelom hrbtenice izdelal baterijo v enaki zasnovi. Prototip ima širok in trden segment, ki lahko shranjuje energijo tako, da zvija elektrode okoli tankega fleksibilnega dela, ki elektrode povezuje. Glede na zasnovo človeške hrbtenice elektrode predstavljajo "vretenca", prožni del pa "kostni mozeg".
"Ker je prostornina dela toge elektrode bistveno večja od fleksibilne medsebojne povezave, je lahko gostota energije takšne prožne baterije večja od 85 odstotkov baterije v standardni komercialni embalaži," pojasnjuje Yang. »Zaradi velikega deleža aktivnih snovi v celotni strukturi ima naša hrbtenici podobna baterija zelo visoko energijsko gostoto - večjo od vseh drugih poročil, ki jih poznamo. Tudi baterija je uspešno preživela ostre dinamične preizkuse mehanske obremenitve zaradi naše racionalne zasnove, ki jo navdihuje bio.
Yuanova ekipa je ločila anodo / separator / katodo / separator na dolge trakove z več "vejami", ki segajo za 90 stopinj od "hrbtenice". Nato vsako vejo oklepajo okoli hrbtenice in tvorijo debele sklade za shranjevanje energije, kot vretenca v hrbtenici. Zaradi te edinstvene zasnove je gostota energije baterije omejena le z vzdolžnim odstotkom skladov, podobnih vretencam, v primerjavi s celotno dolžino naprave, ki lahko zlahka doseže več kot 90 odstotkov.
Pri preskušanju prototipa s kolesarjenjem so ugotovili stabilen oris napetosti, kar je potrdilo mehansko stabilnost njihovega prototipa. Tudi po praznjenju so ga upognili in zvili, vendar je zasnova popolna, da ni vplivala na oris napetosti. Testiranje se izvede tako, da se postavi baterija z večjo gostoto toka in tudi zadrževanje zmogljivosti je veliko (84 odstotkov pri 3C, naboj v 1/3 ure). Prototip je opravil tudi preizkus dinamične mehanske obremenitve.
"Naša zasnova hrbtenice je mehansko bolj robustna kot običajna izvedba," pravi Yang. "Predvidevamo, da bi lahko naša biološko navdihnjena razširljiva metoda za izdelavo prožnih Li-ionskih baterij močno pospešila trženje prožnih naprav."