背骨のような形をした新しいデザインは、どんなに曲げたりねじったりしても、驚くべき柔軟性、高いエネルギー密度、安定した電圧を可能にします。
フレキシブルでウェアラブルな電子機器のトレンドは急速に高まっています。スマートウォッチ、スマートガラス、センサー、およびスマートフォン、タブレット、テレビなどのフレキシブルディスプレイ。このため、高性能フレキシブルバッテリーの需要も増加しました。これまで、研究者はリチウムイオン電池の柔軟性と高エネルギー密度の両方を実現するための問題に直面しています。
コロンビアエンジニアリングの応用物理学および数学科の材料科学および工学の元陽助教授と彼のチームは、これらの課題に立ち向かうことができるプロトタイプを開発しました。元チームは、人間の背骨のように柔軟なバッテリーのプロトタイプを作成しました。これにより、高いエネルギー密度で驚くべき柔軟性が得られ、ねじれや屈曲に関係なく安定した電圧が提供されます。
「私たちのプロトタイプのエネルギー密度は、これまでに報告された中で最も高いものの1つです」とYang氏は言います。 「私たちは、優れた電気化学的および機械的特性を備えた柔軟な背骨のようなリチウムイオン電池を製造するためのシンプルでスケーラブルなアプローチを開発しました。私たちのデザインは、第一世代の柔軟な商用リチウムイオン電池として非常に有望な候補です。現在、設計を最適化し、パフォーマンスを向上させています。」
ジムでエクササイズをしながら背骨のしなやかな動きに触発された元チーム。人間の脊椎は非常に柔軟性があり、機械的に頑丈です。元は脊椎モデルを使用して、同じ設計でバッテリーを構築しました。プロトタイプは、電極を互いに接続するスリムな柔軟な部分の周りに電極をねじることによってエネルギーを蓄えることができる広くてしっかりしたセグメントを持っています。人間の脊椎の設計によると、電極は「脊椎」を表し、柔軟な部分は「骨髄」を表します。
「リジッド電極部分の体積はフレキシブル相互接続よりも大幅に大きいため、このようなフレキシブルバッテリーのエネルギー密度は、標準的な商用パッケージのバッテリーの85％を超える可能性があります」とYang氏は説明します。 「構造全体に占める活物質の割合が高いため、脊椎のようなバッテリーは非常に高いエネルギー密度を示します。これは、私たちが知っている他のどのレポートよりも高いエネルギー密度です。バッテリーは、合理的なバイオインスパイアード設計により、過酷な動的機械負荷テストにも耐えることができました。」
元のチームは、アノード/セパレーター/カソード/セパレーターを、「バックボーン」から90度に伸びる複数の「ブランチ」を備えた長いストリップに分離しました。次に、背骨の周りの各枝を包み込み、脊椎の椎骨のように、エネルギーを蓄えるための厚いスタックを形成します。この独自の設計により、バッテリーのエネルギー密度は、デバイスの全長と比較して、椎骨のようなスタックの縦方向のパーセンテージによってのみ制限されます。これは、簡単に90パーセントを超える可能性があります。
プロトタイプをサイクリングでテストしたところ、安定した電圧の輪郭が見つかり、プロトタイプの機械的安定性が確認されました。放電後も曲がったりねじれたりしていましたが、電圧の輪郭に影響を与えないデザインでした。テストは、より高い電流密度のバッテリーを配置することによって実行され、容量保持も高くなります（3Cで84％、1時間の1/3で充電）。プロトタイプは、動的機械負荷テストにも合格しました。
「私たちの背骨のようなデザインは、従来のデザインよりもはるかに機械的に頑丈です」とYang氏は言います。「私たちは、柔軟なリチウムイオン電池を製造するためのバイオインスパイアードでスケーラブルな方法が、柔軟なデバイスの商品化を大幅に前進させることができると期待しています。」