Selkärangan muotoinen uusi muotoilu tarjoaa huomattavan joustavuuden, suuren energiatiheyden ja vakaan jännitteen riippumatta siitä, miten se taipuu tai kiertyy
Joustavan ja puettavan elektroniikan trendi kasvaa nopeasti. Älykellot, älylasi, sensorit ja joustavat näytöt, kuten älypuhelimet, tabletit ja televisiot jne. Tätä varten myös korkean suorituskyvyn joustavien paristojen kysyntä kasvoi. Tähän asti tutkijoilla on vaikeuksia saada sekä joustavuutta että suurta energiatiheyttä litiumioniakkuissa.
Yuan Yang Materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori Columbia Engineeringin soveltavan fysiikan ja matematiikan laitoksella ja hänen tiiminsä kehittivät prototyypin, joka pystyy vastaamaan näihin haasteisiin. Yuan Team muotoinen niiden joustava akun prototyyppi kuten ihmisen selkärangan, joka mahdollistaa hämmästyttävän joustavuuden kanssa suuri energiatiheys ja myös vakaa jännite, vaikka sillä ei ole väliä miten se on kierretty tai taittaa.
"Prototyyppimme energiatiheys on yksi korkeimmista tähän mennessä ilmoitetuista", Yang sanoo. "Olemme kehittäneet yksinkertaisen ja skaalautuvan lähestymistavan joustavan selkärangan kaltaisen litiumioniakun valmistamiseksi, jolla on erinomaiset sähkökemialliset ja mekaaniset ominaisuudet. Suunnittelumme on erittäin lupaava ehdokas ensimmäisen sukupolven joustavana kaupallisena litiumioniakkuna. Optimoimme nyt suunnittelua ja parannamme sen suorituskykyä. "
Yuan-tiimi innoittamana selkärangan joustavasta liikunnasta kuntosalilla. Ihmisen selkäranka on erittäin joustava ja mekaanisesti kestävä. Yuan käytti selkärangamallia akun rakentamiseen samalla mallilla. Prototyypillä on laaja ja kiinteä segmentti, joka pystyy varastoimaan energiaa kiertämällä elektrodit ohuen joustavan osan ympäri, joka yhdistää elektrodit yhteen. Ihmisen selkärangan mallin mukaan elektrodit edustavat "nikamia" ja joustava osa "ydintä".
"Koska jäykän elektrodiosan tilavuus on huomattavasti suurempi kuin joustava yhteenliittäminen, tällaisen joustavan akun energiatiheys voi olla yli 85 prosenttia tavallisessa kaupallisessa pakkauksessa olevasta akusta", Yang selittää. "Koska aktiivisten materiaalien osuus koko rakenteesta on suuri, selkärangan kaltaisella paristollamme on erittäin korkea energiatiheys - suurempi kuin missään muussa tiedossa olevassa raportissa. Akku selviytyi menestyksekkäästi myös ankarasta dynaamisesta mekaanisesta kuormitustestistä järkevän biohenkisen suunnittelumme ansiosta. "
Yuanin tiimi erotti anodin / erottimen / katodin / erottimen pitkiksi suikaleiksi, joissa oli useita "haaroja", jotka ulottuvat 90 astetta "selkärangasta". Sitten he kietovat jokaisen haaran selkärangan ympärille muodostaen paksut pinot energian varastoimiseksi, kuten selkärangan nikamat. Tämän ainutlaatuisen rakenteensa ansiosta akun energiatiheyttä rajoittaa vain nikamamaisten pinojen pituussuuntainen prosenttiosuus laitteen koko pituuteen verrattuna, joka voi helposti nousta yli 90 prosenttiin.
Testaten prototyyppiä pyöräilemällä he löysivät vakaan jännitteen ääriviivat, vahvistivat prototyyppinsä mekaanisen vakauden. He taipuivat ja kiertivät sitä myös purkamisen jälkeen, mutta muotoilu on täydellinen, ettei se vaikuttanut jännitteen ääriviivoihin. Testaus suoritetaan asettamalla korkeamman virrantiheyden omaava akku ja kapasiteetin säilyvyys on myös korkea (84 prosenttia 3 ° C: ssa, lataus 1/3 tunnissa). Prototyyppi läpäisi myös dynaamisen mekaanisen kuormitustestin.
"Selkärakenteinen muotoilumme on paljon mekaanisesti kestävämpi kuin perinteiset mallit", Yang sanoo. "Odotamme, että biohenkinen, skaalautuva menetelmä joustavien litiumioniakkujen valmistamiseksi voisi edistää huomattavasti joustavien laitteiden kaupallistamista."