Σε σχήμα σπονδυλικής στήλης, ο νέος σχεδιασμός επιτρέπει αξιοσημείωτη ευελιξία, υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και σταθερή τάση, ανεξάρτητα από το πώς κάμπτεται ή στρίβεται
Η τάση των ευέλικτων και φορητών ηλεκτρονικών συσκευών αυξάνεται ραγδαία. Έξυπνα ρολόγια, έξυπνο γυαλί, αισθητήρες και ευέλικτες οθόνες - όπως smartphone, tablet και τηλεοράσεις κ.λπ. Για αυτό το λόγο η ζήτηση για ευέλικτες μπαταρίες υψηλής απόδοσης αυξήθηκε επίσης. Μέχρι τώρα, οι ερευνητές αντιμετωπίζουν προβλήματα για να αποκτήσουν ευελιξία και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Yuan Yang Επίκουρος καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο τμήμα εφαρμοσμένης φυσικής και μαθηματικών στην Columbia Engineering και η ομάδα του ανέπτυξε ένα πρωτότυπο που είναι ικανό να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις. Η Yuan Team διαμόρφωσε το εύκαμπτο πρωτότυπο της μπαταρίας τους όπως η ανθρώπινη σπονδυλική στήλη που επιτρέπει εκπληκτική ευελιξία με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και παρέχει επίσης σταθερή τάση ακόμα κι αν δεν έχει σημασία πώς περιστρέφεται ή λυγίζει.
«Η ενεργειακή πυκνότητα του πρωτοτύπου μας είναι ένα από τα υψηλότερα αναφερόμενα μέχρι τώρα», λέει ο Γιανγκ. «Έχουμε αναπτύξει μια απλή και επεκτάσιμη προσέγγιση για την κατασκευή μιας εύκαμπτης μπαταρίας ιόντων λιθίου τύπου σπονδυλικής στήλης που έχει εξαιρετικές ηλεκτροχημικές και μηχανικές ιδιότητες. Ο σχεδιασμός μας είναι ένας πολύ υποσχόμενος υποψήφιος ως η πρώτη γενιά, ευέλικτη, εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου. Βελτιστοποιούμε τώρα το σχεδιασμό και βελτιώνουμε την απόδοσή του. "
Yuan Team εμπνευσμένη από την ελαστική κίνηση της σπονδυλικής στήλης ενώ ασκείστε στο γυμναστήριο. Η ανθρώπινη σπονδυλική στήλη είναι εξαιρετικά ευέλικτη και μηχανικά στιβαρή. Ο Γιουάν χρησιμοποίησε το μοντέλο της σπονδυλικής στήλης για να κατασκευάσει την μπαταρία με τον ίδιο σχεδιασμό. Το πρωτότυπο διαθέτει ένα ευρύ και συμπαγές τμήμα που μπορεί να αποθηκεύει ενέργεια περιστρέφοντας τα ηλεκτρόδια γύρω από ένα λεπτό εύκαμπτο τμήμα που συνδέει τα ηλεκτρόδια μαζί. Σύμφωνα με τον σχεδιασμό της ανθρώπινης σπονδυλικής στήλης τα ηλεκτρόδια αντιπροσωπεύουν τους «σπονδύλους» και το εύκαμπτο μέρος αντιπροσωπεύει το «μυελό».
«Καθώς ο όγκος του άκαμπτου τμήματος ηλεκτροδίου είναι σημαντικά μεγαλύτερος από την εύκαμπτη διασύνδεση, η ενεργειακή πυκνότητα μιας τέτοιας εύκαμπτης μπαταρίας μπορεί να είναι μεγαλύτερη από το 85 τοις εκατό μιας μπαταρίας σε τυπική εμπορική συσκευασία», εξηγεί ο Yang. «Λόγω του υψηλού ποσοστού των ενεργών υλικών σε ολόκληρη τη δομή, η μπαταρία μας που μοιάζει με σπονδυλική στήλη δείχνει πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα - υψηλότερη από οποιαδήποτε άλλη αναφορά που γνωρίζουμε. Η μπαταρία επέζησε επίσης με επιτυχία από ένα σκληρό δυναμικό τεστ μηχανικού φορτίου λόγω του ορθολογικού βιο-εμπνευσμένου σχεδιασμού μας ».
Η ομάδα του Γιουάν διαχώρισε την άνοδο / διαχωριστικό / κάθοδο / διαχωριστή σε μεγάλες λωρίδες με πολλαπλά «κλαδιά» που εκτείνονται κατά 90 μοίρες από το «ραχοκοκαλιά». Στη συνέχεια, τυλίγουν κάθε κλαδί γύρω από τη ραχοκοκαλιά για να σχηματίσουν παχιές στοίβες για την αποθήκευση ενέργειας, όπως οι σπόνδυλοι στη σπονδυλική στήλη. Λόγω αυτού του μοναδικού σχεδιασμού, η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας περιορίζεται μόνο από το διαμήκες ποσοστό στοιβών που μοιάζουν με σπονδύλους σε σύγκριση με ολόκληρο το μήκος της συσκευής, η οποία μπορεί εύκολα να φτάσει πάνω από 90 τοις εκατό.
Δοκιμάζοντας το πρωτότυπο με ποδηλασία, βρήκαν σταθερό περίγραμμα τάσης, επιβεβαίωσαν τη μηχανική σταθερότητα του πρωτοτύπου τους. Το κάμψαν και το έστριψαν ακόμη και μετά την εκφόρτιση, αλλά ο σχεδιασμός είναι τέλειος που δεν επηρέασε το περίγραμμα της τάσης. Ο έλεγχος πραγματοποιείται τοποθετώντας την μπαταρία με υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος και η διατήρηση χωρητικότητας είναι επίσης υψηλή (84 τοις εκατό στους 3C, η φόρτιση σε 1/3 της ώρας). Το πρωτότυπο πέρασε επίσης τη δυναμική δοκιμή μηχανικού φορτίου.
«Ο σχεδιασμός μας που μοιάζει με σπονδυλική στήλη είναι πολύ πιο μηχανικά στιβαρός από τα συμβατικά σχέδια», λέει ο Yang. «Αναμένουμε ότι η βιο-εμπνευσμένη, επεκτάσιμη μέθοδος για την κατασκευή εύκαμπτων μπαταριών ιόντων λιθίου θα μπορούσε να προωθήσει σημαντικά την εμπορευματοποίηση ευέλικτων συσκευών».