Bøjbart batteri og LED udgør det første funktionelle helt fleksible elektroniske system

(Phys.org) -- Ved at forbinde en ny fleksibel, tyndfilm Li-ion batteri til en fleksibel organisk LED, et team af forskere fra Sydkorea har demonstreret det første fuldt funktionelle, fleksible elektroniske system. Med andre ord, de har vist den totale integration af et fleksibelt display og batteri på et enkelt plastiksubstrat uden hjælp fra bulkelektronik. Præstationen er afhængig af en ny fremstillingsmetode, der gør det muligt for fleksible batterier at arbejde med en række forskellige elektrodematerialer, overvinde tidligere elektrodebegrænsninger.

Forskerne, fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) i Daejeon, Sydkorea, har offentliggjort deres undersøgelse af det nye bøjelige Li-ion-batteri i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Selvom der allerede er udviklet flere andre fleksible Li-ion-batterier, ingen har opnået en tilstrækkelig ydeevne i driftsstabilitet til at kunne anvendes på kommercielle produkter, såsom rullebare displays og anden fleksibel forbrugerelektronik. Årsagen er, at elektroderne til disse batterier kun kan fremstilles af få materialer på grund af fabrikationsvanskeligheder, og disse materialer har ikke særlig god ydeevne. Som medforfatter Keon Jae Lee fra KAIST forklarer, en type ideelt katodemateriale ville være et lithium-overgangsmetaloxid, selvom dette er et af de materialer, der i øjeblikket ikke kan inkorporeres i bøjelige Li-ion-batterier.

"Lithium-overgangsmetaloxider, der bruges som katodeelektrode, skal behandles ved høj temperatur (f.eks. ca. 700 °C for lithium cobaltoxid) for krystalliniteten, ” fortalte Lee Phys.org . "Imidlertid, det er ikke muligt at termobehandle det aktive materiale på fleksible underlag som polymermaterialer."

For at overvinde denne begrænsning, forskerne udviklede en fremstillingsteknik, der giver dem mulighed for at termobehandle elektrodematerialet, gør det muligt at bruge næsten ethvert materiale som elektrode. Denne teknik, kaldet den universelle overførselsmetode, involverer oprindeligt at deponere batterimaterialerne på et skørt glimmersubstrat, svarende til den, der bruges i standard ikke-fleksibel batterifabrikation. Derefter, ved hjælp af klæbebånd, forskerne pillede glimmersubstratet væk, lag for lag. Efter cirka 10 minutters peeling, forskerne kunne fjerne hele glimmersubstratet uden at beskadige tyndfilmsbatteriet.

Næste, det fleksible batteri overføres til en fleksibel polymerplade og lukkes med en anden fleksibel polymerplade. Resultatet er et fleksibelt Li-ion batteri, der kan laves med næsten ethvert elektrodemateriale. Her, forskerne brugte lithium-koboltoxid som katodemateriale, som i øjeblikket er den mest udbredte katode i ikke-fleksible Li-ion-batterier på grund af dens høje ydeevne. Til anoden, de brugte traditionelt lithium.

"Vi fremstillede et højtydende fleksibelt Li-ion-batteri struktureret med uorganiske tynde film med høj densitet ved hjælp af den universelle overførselstilgang, som muliggør realisering af forskellige fleksible Li-ion-batterier uanset elektrodekemi, " sagde Lee. "I øvrigt, det kan danne højtemperaturudglødede elektroder på polymersubstrater til højtydende Li-ion-batterier."

I test, forskerne viste, at det nye fleksible Li-ion-batteri har den højeste ladespænding (4,2 V) og ladekapacitet (106 μAh/cm ² ) nogensinde opnået for fleksible Li-ion-batterier. De demonstrerede også, at batteriet kunne bøjes med en høj krumningsvinkel. Imidlertid, efter 100 opladnings-afladningscyklusser, batteriet mistede noget af sin kapacitet. Afhængigt af graden af ​​bøjningsdeformation, den bibeholdt mellem 88,2 % og 98,4 % af sin oprindelige kapacitet.

Som forskerne forklarede, en taktik, der hjalp dem med at opnå denne høje ydeevne selv under en høj krumningsvinkel, var at placere de aktive dele af batteriet i et mekanisk neutralt rum i batterifilmen. Når batterifilmen er bøjet, der opstår en modvægt mellem trækbelastningen på ydersiden og trykbelastningen på indersiden, hvilket skaber et mekanisk neutralt plan i midten. Yderligere, forskerne beregnede, at det punkt, hvor trykspændingen ændres til trækspænding ved en vis bøjningsgrad, kan have endnu større stabilitet end på et sprødt underlag. Dette fund tyder på, at det kan være muligt for fleksible Li-ion-batterier at have højere stabilitet og bedre ydeevne end ikke-fleksible Li-ion-batterier.

At fremstille det første fuldt funktionelle, fleksible elektroniske system, forskerne koblede det fleksible Li-ion batteri til en fleksibel organisk LED, hvoraf sidstnævnte blev fremstillet på et fleksibelt indiumtinoxidsubstrat. Forskerne pakkede derefter hele systemet ind med fleksible polymerplader for at forbedre den mekaniske stabilitet. De viste, at selv når batteriet var i bøjet position, det kunne stadig drive LED'en.

I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre batteriets ydeevne, især dens energitæthed, samt arbejde med masseproduktion gennem en et-trins laser-lift-off-proces i stedet for at bruge klæbende tape. De bemærker også, at den nye universelle overførselsmetode kan udvides til at fremstille andre fleksible enheder, såsom tyndfilm nanogeneratorer, tyndfilm transistorer, og termoelektriske enheder.

"Jeg er interesseret i kombinationen af ​​en fleksibel energikilde og selvdrevet piezoelektrisk energihøst, kaldet nanogeneratorer, " sagde Lee. ”Det fuldt fleksible elektroniske system og dets udvidelse med nanogeneratorer kan forventes at ændre vores dagligdag. Også, skal bruges i forbrugerelektronik, at øge kraftkapaciteten er vigtig. Derfor, 3D-stabling af dette 10 um-tykke tyndfilmsbatteri ville være et interessant emne."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.