El rápido desarrollo de la electrónica flexible y portátil está dando lugar a una amplia gama de aplicaciones, desde relojes inteligentes y pantallas flexibles, como teléfonos inteligentes, tabletas y TV, hasta telas inteligentes, vidrio inteligente, parches transdérmicos, sensores, y más. Con este aumento, la demanda ha aumentado para baterías flexibles de alto rendimiento. Hasta ahora, sin embargo, los investigadores han tenido dificultades para obtener buena flexibilidad y alta densidad de energía simultáneamente en baterías de iones de litio.
Un equipo dirigido por Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en el departamento de física aplicada y matemáticas en Columbia Engineering, ha desarrollado un prototipo que aborda este desafío: una batería de litio con forma de columna vertebral humana que permite un notableflexibilidad, alta densidad de energía y voltaje estable sin importar cómo se flexione o retuerza. El estudio se publica hoy en Materiales avanzados .
"La densidad de energía de nuestro prototipo es una de las más altas reportadas hasta ahora", dice Yang. "Hemos desarrollado un enfoque simple y escalable para fabricar una batería flexible de iones de litio con forma de espina que tiene excelentes propiedades electroquímicas y mecánicas.Nuestro diseño es un candidato muy prometedor como batería de iones de litio comercial, flexible y de primera generación. Ahora estamos optimizando el diseño y mejorando su rendimiento ".
Yang, cuyo grupo explora la composición y estructura de los materiales de la batería para lograr un alto rendimiento, se inspiró en la flexibilidad de la columna vertebral mientras hacía sentadillas en el gimnasio. La columna vertebral humana es muy flexible y distorsionable, así como mecánicamente robusta,ya que contiene componentes de médula blanda que interconectan las partes duras de la vértebra. Yang usó el modelo de columna para diseñar una batería con una estructura similar. Su prototipo tiene un segmento grueso y rígido que almacena energía enrollando los electrodos "vértebras" alrededor de unparte flexible "médula" que conecta las pilas de electrodos en forma de vértebra entre sí. Su diseño proporciona una excelente flexibilidad para toda la batería.
"Como el volumen de la parte rígida del electrodo es significativamente mayor que la interconexión flexible, la densidad de energía de una batería de batería tan flexible puede ser superior al 85 por ciento de una batería en un embalaje comercial estándar", explica Yang.Con una alta proporción de los materiales activos en toda la estructura, nuestra batería similar a la columna vertebral muestra una densidad de energía muy alta, más alta que cualquier otro informe que tengamos en cuenta. La batería también sobrevivió con éxito a una dura prueba de carga mecánica dinámica debido a nuestra bio racionaldiseño inspirado "
El equipo de Yang cortó las pilas convencionales de ánodo / separador / cátodo / separador en tiras largas con múltiples "ramas" que se extienden 90 grados desde la "columna vertebral". Luego envolvieron cada rama alrededor de la columna vertebral para formar pilas gruesas para almacenar energía, comovértebras en una columna vertebral. Con este diseño integrado, la densidad de energía de la batería está limitada solo por el porcentaje longitudinal de pilas similares a vértebras en comparación con la longitud total del dispositivo, que puede alcanzar fácilmente más del 90 por ciento.
La batería muestra una capacidad estable durante el ciclo, así como un perfil de voltaje estable sin importar cómo se flexiona o se retuerce. Después del ciclo, el equipo desmontó la batería para examinar el cambio de morfología de los materiales del electrodo. Descubrieron que el electrodo positivo eraintacto, sin grietas o desprendimientos obvios del papel de aluminio, lo que confirma la estabilidad mecánica de su diseño. Para ilustrar aún más la flexibilidad de su diseño, los investigadores continuamente doblaron o retorcieron la batería durante la descarga, descubriendo que ni la flexión ni la torsión interrumpían la curva de voltajeIncluso cuando la celda se flexionó y retorció continuamente durante toda la descarga, el perfil de voltaje permaneció. La batería en el estado flexionado también se recicló a densidades de corriente más altas, y la retención de capacidad fue bastante alta 84% a 3C, la carga en1/3 de hora. La batería también sobrevivió a una prueba de carga mecánica dinámica continua, raramente informada en estudios anteriores.
"Nuestro diseño tipo espina es mucho más robusto mecánicamente que los diseños convencionales", dice Yang. "Anticipamos que nuestro método bioinspirable y escalable para fabricar baterías flexibles de iones de litio podría avanzar en gran medida en la comercialización de dispositivos flexibles".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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