Gerinc formájú, új kialakítás figyelemre méltó rugalmasságot, nagy energiasűrűséget és stabil feszültséget tesz lehetővé, függetlenül attól, hogy hajlik vagy csavarodik
A rugalmas és hordható elektronika trendje gyorsan növekszik. Intelligens órák, intelligens üveg, érzékelők és rugalmas kijelzők, például okostelefonok, táblagépek és tévék stb. Ehhez a nagy teljesítményű rugalmas akkumulátorok iránti igény is megnőtt. Eddig a kutatók olyan problémákkal szembesülnek, hogy mind a rugalmasságot, mind a nagy energiasűrűséget elérjék a lítium-ion akkumulátorokban.
Yuan Yang anyagtudományi és mérnöki adjunktus a Columbia Engineering alkalmazott fizika és matematika tanszékén és csapata kifejlesztett egy prototípust, amely képes szembenézni ezekkel a kihívásokkal. Yuan csapat alakú azok rugalmas akkumulátor prototípusa, mint az emberi gerinc, amely lehetővé teszi a csodálatos rugalmasságot és nagy energiasűrűségű, továbbá a stabil feszültség, még nem számít, hogy van ez csavart vagy hajlítani.
"Prototípusunk energiasűrűsége az egyik legmagasabb, amit eddig jelentettek" - mondja Yang. „Egyszerű és méretezhető megközelítést dolgoztunk ki egy rugalmas gerincszerű lítium-ion akkumulátor gyártására, amely kiváló elektrokémiai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Tervezésünk nagyon ígéretes jelölt, mint az első generációs, rugalmas, kereskedelmi forgalomban kapható lítium-ion akkumulátor. Most optimalizáljuk a dizájnt és javítjuk annak teljesítményét. ”
A Yuan Team ihlette a gerinc rugalmas mozgását, miközben az edzőteremben edzett. Az emberi gerinc rendkívül rugalmas és mechanikusan robusztus. Yuan a gerincmodell segítségével készítette el az elemet ugyanolyan kivitelben. A prototípus széles és szilárd szegmenssel rendelkezik, amely energiát képes tárolni úgy, hogy az elektródákat egy vékony, rugalmas rész köré csavarja, amely összeköti az elektródákat. Az emberi gerinc kialakításának megfelelően az elektródák a „csigolyákat”, a rugalmas részek a „velőt” képviselik.
"Mivel a merev elektróda rész térfogata lényegesen nagyobb, mint a rugalmas összekapcsolás, egy ilyen rugalmas akkumulátor energia-sűrűsége meghaladhatja a szokásos kereskedelmi csomagolású akkumulátor 85 százalékát" - magyarázza Yang. „Az aktív anyagok magas aránya miatt az egész struktúrában gerincszerű akkumulátorunk nagyon nagy energiasűrűséggel rendelkezik - magasabb, mint bármely más tudomásunk szerint. Az akkumulátor racionális, biológiai ihletésű kialakításunknak köszönhetően sikeresen túlélt egy kemény dinamikus mechanikai terhelési tesztet is.
Yuan csapata az anódot / szeparátort / katódot / szeparátort hosszú csíkokra választotta szét, több „ággal”, amelyek 90 fokkal kinyúlnak a „gerinctól”. Ezután az ágakat a gerinc köré fonják, és vastag halmokat képeznek az energia tárolására, mint a gerinc csigolyái. Ennek az egyedi kialakításnak köszönhetően az akkumulátor energiasűrűségét csak a csigolyaszerű halmok hosszanti százaléka korlátozza az eszköz teljes hosszához képest, amely könnyen elérheti a 90 százalékot is.
A prototípust kerékpározással tesztelve stabil feszültségvázlatot találtak, megerősítették prototípusuk mechanikai stabilitását. Kihúzás után is hajlították és csavarták, de a kialakítás tökéletes, hogy nem befolyásolta a feszültség körvonalát. A tesztet úgy hajtják végre, hogy nagyobb akkumulátor-sűrűségű akkumulátort helyeznek el, és a kapacitás-visszatartás is magas (84% 3C-on, a töltés 1/3 óra alatt). A prototípus a dinamikus mechanikai terhelési teszten is megfelelt.
"A gerincszerű kialakításunk mechanikailag sokkal robusztusabb, mint a hagyományos kivitelek" - mondja Yang. "Várakozásunk szerint bio-inspirált, méretezhető módszerünk rugalmas Li-ion akkumulátorok gyártására nagyban elősegítheti a rugalmas eszközök forgalmazását."