A forma di spina dorsale, il nuovo design consente una notevole flessibilità, un'elevata densità di energia e una tensione stabile, indipendentemente da come sia flesso o attorcigliato
La tendenza dell'elettronica flessibile e indossabile è in rapida crescita. Orologi intelligenti, vetri intelligenti, sensori e display flessibili, come smartphone, tablet e TV, ecc. Per questa ragione è aumentata anche la richiesta di batterie flessibili ad alte prestazioni. Fino ad ora, i ricercatori stanno affrontando problemi per ottenere flessibilità e alta densità di energia nelle batterie agli ioni di litio.
Yuan Yang Assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria nel dipartimento di fisica applicata e matematica alla Columbia Engineering e il suo team hanno sviluppato un prototipo in grado di affrontare queste sfide. Il team di Yuan ha modellato il suo prototipo di batteria flessibile come la colonna vertebrale umana che consente una straordinaria flessibilità con un'elevata densità di energia e fornisce anche una tensione stabile anche se non importa come sia attorcigliata o flessa.
"La densità di energia del nostro prototipo è una delle più elevate finora riportate", afferma Yang. “Abbiamo sviluppato un approccio semplice e scalabile per fabbricare una batteria agli ioni di litio flessibile simile a una spina dorsale con eccellenti proprietà elettrochimiche e meccaniche. Il nostro design è un candidato molto promettente come batteria commerciale agli ioni di litio di prima generazione, flessibile. Stiamo ora ottimizzando il design e migliorando le sue prestazioni. "
Yuan Team ispirato al movimento flessibile della colonna vertebrale mentre si fa esercizio in palestra. Una colonna vertebrale umana è altamente flessibile e meccanicamente robusta. Yuan ha utilizzato il modello della colonna vertebrale per costruire la batteria con lo stesso design. Il prototipo ha un segmento ampio e solido che è in grado di immagazzinare energia ruotando gli elettrodi attorno a una parte sottile e flessibile che collega gli elettrodi insieme. Secondo il design della colonna vertebrale umana, gli elettrodi rappresentano le "vertebre" e la parte flessibile rappresenta il "midollo".
"Poiché il volume della parte rigida dell'elettrodo è significativamente maggiore dell'interconnessione flessibile, la densità di energia di una batteria così flessibile può essere superiore all'85% di una batteria in un imballaggio commerciale standard", spiega Yang. “A causa dell'elevata percentuale di materiali attivi nell'intera struttura, la nostra batteria simile a una spina dorsale mostra una densità di energia molto elevata, superiore a qualsiasi altro rapporto di cui siamo a conoscenza. La batteria è anche sopravvissuta con successo a un duro test di carico meccanico dinamico grazie al nostro design razionale di ispirazione biologica. "
La squadra di Yuan ha separato l'anodo / separatore / catodo / separatore in lunghe strisce con più "rami" che si estendono di 90 gradi dalla "spina dorsale". Quindi avvolgono ogni ramo attorno alla spina dorsale per formare pile spesse per immagazzinare energia, come le vertebre in una colonna vertebrale. Grazie a questo design unico, la densità di energia della batteria è limitata solo dalla percentuale longitudinale di pile simili a vertebre rispetto all'intera lunghezza del dispositivo, che può raggiungere facilmente oltre il 90 percento.
Testando il prototipo in bicicletta, hanno trovato un profilo di tensione stabile, confermato la stabilità meccanica del loro prototipo. Lo hanno anche flesso e attorcigliato anche dopo la scarica, ma il design è perfetto per non influenzare il profilo di tensione. Il test viene eseguito inserendo la batteria con maggiore densità di corrente e anche la capacità di ritenzione è elevata (84 percento a 3C, la carica in 1/3 d'ora). Il prototipo ha anche superato il test di carico meccanico dinamico.
"Il nostro design simile a una spina dorsale è molto più robusto dal punto di vista meccanico rispetto ai modelli convenzionali", afferma Yang. "Prevediamo che il nostro metodo scalabile e bio-ispirato per fabbricare batterie flessibili agli ioni di litio potrebbe far avanzare notevolmente la commercializzazione di dispositivi flessibili".