Et batteri med et twist

Markus Niederbergers team af forskere ved ETH har brugt strækbare materialer til at udvikle et batteri, der kan bøjes, strakt og snoet. Til applikationer i bøjelige elektroniske enheder, det er netop den slags batteri, de har brug for.

Dagens elektronikindustri fokuserer i stigende grad på computere eller smartphones med skærme, der kan foldes eller rulles. Smarte beklædningsgenstande gør brug af bærbare mikro-enheder eller sensorer til at overvåge kropsfunktioner, for eksempel. Imidlertid, alle disse enheder har brug for en energikilde, som normalt er et lithium-ion batteri. Desværre, kommercielle batterier er typisk tunge og stive, hvilket gør den grundlæggende uegnet til anvendelser inden for fleksibel elektronik eller tekstiler.

En løsning på dette problem er nu ved at blive skabt af Markus Niederberger, Professor i multifunktionelle materialer ved ETH Zürich, og hans hold. Forskerne har udviklet en prototype til et fleksibelt tyndfilmsbatteri, der kan bøjes, strakt og endda snoet uden at afbryde strømforsyningen.

Det, der gør dette nye batteri til noget særligt, er dets elektrolyt - den del af batteriet, som lithium-ioner bevæger sig igennem, når batteriet oplades eller aflades. Denne elektrolyt blev opdaget af ETH doktorand Xi Chen, hovedforfatter af undersøgelsen, der for nylig udkom i det videnskabelige tidsskrift Avancerede materialer .

Systematisk anvendelse af bøjelige komponenter

Efter designet af kommercielle batterier, denne nye type batteri er bygget i lag som en sandwich. Imidlertid, det er første gang, at forskere har brugt fleksible komponenter til at holde hele batteriet bøjeligt og strækbart. "Til dato, ingen har brugt udelukkende fleksible komponenter så systematisk som vi har brugt til at skabe et lithium-ion-batteri, " siger Niederberger.

De to strømaftagere til anoden og katoden består af bøjelig polymerkomposit, der indeholder elektrisk ledende kulstof, og som også fungerer som den ydre skal. På den indvendige overflade af kompositten, forskerne påførte et tyndt lag af mikronsized sølvflager. På grund af den måde, flagerne overlapper som tagsten, de mister ikke kontakten med hinanden, når elastomeren strækkes. Dette garanterer strømaftagerens ledningsevne, selvom den udsættes for omfattende strækning. Og i tilfælde af at sølvflagerne faktisk mister kontakten med hinanden, den elektriske strøm kan stadig strømme gennem den kulstofholdige komposit, omend svagere.

Ved hjælp af en maske, forskerne sprøjtede derefter anode- og katodepulver på et præcist defineret område af sølvlaget. Katoden er sammensat af lithiummanganoxid, og anoden er et vanadiumoxid.

Vandbaseret gelelektrolyt

I det sidste trin, forskerne stablede de to strømaftagere med de påsatte elektroder oven på hinanden, adskilt af et barrierelag, der ligner en billedramme, mens mellemrummet i rammen var fyldt med elektrolytgelen.

Niederberger understreger, at denne gel er mere miljøvenlig end de kommercielle elektrolytter:"Flydende elektrolyt i dagens batterier er brandfarlig og giftig." I modsætning, gelelektrolytten, som hans ph.d.-studerende Chen udviklede, indeholder vand med en høj koncentration af et lithiumsalt, som ikke kun letter strømmen af ​​lithium-ioner mellem katode og anode, mens batteriet oplades eller aflades, men holder også vandet fra elektrokemisk nedbrydning.

Forskerne forenede de forskellige dele af deres prototype sammen med klæbemiddel. "Hvis vi vil markedsføre batteriet kommercielt, vi bliver nødt til at finde en anden proces, der vil holde den tæt forseglet i længere tid, " siger Niederberger.

Talrige potentielle anvendelser

Flere og flere applikationer til et batteri som dette dukker op hver dag. Kendte producenter af mobiltelefoner kappes med hinanden om at producere enheder med foldbare skærme. Andre muligheder omfatter rullebare skærme til computere, smartwatches og tablets, eller funktionelle tekstiler, der indeholder bøjelig elektronik - og alle disse kræver en fleksibel strømforsyning. "For eksempel, du kunne sy vores batteri lige ind i tøjet, " siger Niederberger. Det, der er vigtigt, er, i tilfælde af batterilækage, for at sikre, at de væsker, der kommer ud, ikke forårsager skade. Det er her, holdets elektrolyt giver en betydelig fordel.

Imidlertid, Niederberger understreger, at mere forskning er nødvendig for at optimere det fleksible batteri, før de overvejer at kommercialisere det. Først og fremmest, holdet skal øge mængden af ​​elektrodemateriale, det kan indeholde. En ny ph.d.-studerende er for nylig begyndt at forfine den strækbare strømforsyning. Opfinderen af ​​den oprindelige prototype, Xi Chen, vendte tilbage til sit hjemland Kina efter at have afsluttet sin doktorafhandling for at tage et nyt job - som konsulent for batteriindustrien.