Con forma de columna vertebral, el nuevo diseño permite una flexibilidad notable, una alta densidad de energía y un voltaje estable sin importar cómo esté flexionado o retorcido
La tendencia de la electrónica flexible y portátil está aumentando rápidamente. Relojes inteligentes, cristales inteligentes, sensores y pantallas flexibles, como teléfonos inteligentes, tabletas y televisores, etc. Para ello, también aumentó la demanda de baterías flexibles de alto rendimiento. Hasta ahora, los investigadores se enfrentan a problemas para obtener flexibilidad y alta densidad de energía en las baterías de iones de litio.
Yuan Yang Profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en el departamento de física aplicada y matemáticas de Columbia Engineering y su equipo desarrollaron un prototipo que es capaz de afrontar estos desafíos. Yuan Team dio forma a su prototipo de batería flexible como la columna vertebral humana que permite una flexibilidad asombrosa con una alta densidad de energía y también proporciona un voltaje estable incluso sin importar cómo se tuerza o flexione.
“La densidad de energía de nuestro prototipo es una de las más altas registradas hasta ahora”, dice Yang. “Hemos desarrollado un enfoque simple y escalable para fabricar una batería de iones de litio flexible con forma de columna que tiene excelentes propiedades electroquímicas y mecánicas. Nuestro diseño es un candidato muy prometedor como batería de iones de litio comercial flexible de primera generación. Ahora estamos optimizando el diseño y mejorando su rendimiento ".
Yuan Team se inspira en el movimiento flexible de la columna mientras hace ejercicio en el gimnasio. Una columna vertebral humana es muy flexible y mecánicamente robusta. Yuan utilizó el modelo de columna para construir la batería con el mismo diseño. El prototipo tiene un segmento amplio y sólido que puede almacenar energía girando los electrodos alrededor de una parte delgada y flexible que conecta los electrodos entre sí. Según el diseño de la columna vertebral humana, los electrodos representan "vértebras" y la parte flexible representa "médula".
“Como el volumen de la parte del electrodo rígido es significativamente mayor que la interconexión flexible, la densidad de energía de una batería tan flexible puede ser mayor que el 85 por ciento de una batería en un empaque comercial estándar”, explica Yang. “Debido a la alta proporción de materiales activos en toda la estructura, nuestra batería con forma de columna muestra una densidad de energía muy alta, más alta que cualquier otro informe que conozcamos. La batería también sobrevivió con éxito a una dura prueba de carga mecánica dinámica gracias a nuestro diseño racional de inspiración biológica ".
El equipo de Yuan separó el ánodo / separador / cátodo / separador en largas tiras con múltiples "ramas" que se extienden 90 grados desde la "columna vertebral". Luego envuelven cada rama alrededor de la columna vertebral para formar pilas gruesas para almacenar energía, como vértebras en una columna. Debido a tener este diseño único, la densidad de energía de la batería está limitada solo por el porcentaje longitudinal de pilas en forma de vértebras en comparación con la longitud total del dispositivo, que puede alcanzar fácilmente más del 90 por ciento.
Al probar el prototipo en bicicleta, encontraron un contorno de voltaje estable y confirmaron la estabilidad mecánica de su prototipo. También lo flexionaron y torcieron incluso después de la descarga, pero el diseño es perfecto y no afectó el contorno de voltaje. La prueba se realiza colocando la batería con mayor densidad de corriente y la capacidad de retención también es alta (84 por ciento a 3C, la carga en 1/3 de hora). El prototipo también pasó la prueba de carga mecánica dinámica.
“Nuestro diseño en forma de espina es mucho más robusto mecánicamente que los diseños convencionales”, dice Yang. "Anticipamos que nuestro método escalable bioinspirado para fabricar baterías de iones de litio flexibles podría hacer avanzar enormemente la comercialización de dispositivos flexibles".