Foldebatterier øger deres arealenergitæthed med op til 14 gange

(Phys.org) —Ved at folde et papirbaseret Li-ion-batteri i et Miura-ori-mønster (svarende til hvordan nogle kort foldes), Forskere har vist, at batteriet udviser en 14x stigning i arealenergitæthed og kapacitet på grund af dets mindre fodaftryk. Papirbaserede batterier er allerede attraktive på grund af deres lave omkostninger, roll-to-roll fremstillingsmetoder, og fleksibilitet. Fordelene ved at folde dem til mindre størrelser tilføjer disse funktioner og kan føre til højtydende batterier til forskellige applikationer.

Forskerne, Qian Cheng, et al., fra Arizona State University, har udgivet en artikel om foldning af papirbaserede Li-ion-batterier i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Foldbare batterier kan være nyttige til at forsyne enheder, der har begrænset plads om bord, "medforfatter Candace Chan, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Arizona State University, fortalte Phys.org . "Desuden, med udviklingen af ​​foldbar papirbaseret elektronik demonstreret af andre forskningsgrupper for nylig, et batteri, der også kan foldes, kan blive vigtigt for integration af strømkilden og andre komponenter i en enkelt, fuldstændig sammenfoldelig enhed."

I den aktuelle undersøgelse, forskerne brugte Li-ion-batterier lavet af kulstof nanorør (CNT) blæk som strømaftagere; konventionelle lithium-baserede pulvere som elektroderne; og tynd, porøse Kimwipes ^TM som papirsubstrater. Forskerne tilføjede også en polyvinylidendifluorid (PVDF) belægning for at forbedre vedhæftningen af ​​CNT-blækket til papirsubstraterne. De sidste batterier viste god ledningsevne og - efter et irreversibelt kapacitetstab efter den første cyklus - en relativt stabil kapacitet.

Forskerne eksperimenterede med simpel foldning af papirerne på midten og det mere komplicerede Miura-ori-foldemønster. Ved hjælp af det enkle foldning-i-halvt mønster, forskerne fandt, at en, to, og tre gange resulterer i at den arealmæssige energitæthed og kapacitet øges med 1,9, 4,7, og 10,6 gange sammenlignet med et plant batteri. Miura-ori-mønsteret kunne folde papiret endnu mere effektivt:folde et 6 cm x 7 cm batteri til en stak på 25 lag øger arealets energitæthed og kapacitet med 14 gange og giver et samlet areal på kun 1,68 cm ² .

"Vi brugte 'areal' densitet til at vise, at energitætheden pr. fodaftryksareal øges, Chan forklarede. "Dette er forskelligt fra den gravimetriske energitæthed, da mængden af ​​masse i batterierne ikke ændrer sig, når den foldes og foldes ud. Så at sige 'areal' tæthed gør det tydeligere, hvilken tæthed vi henviser til."

Samlet set, batterierne foldet i det simple mønster opretholdt en elektrokemisk ydeevne, der lignede de plane batterier. Coulombic-effektiviteten for de foldede batterier var endnu højere end for de udfoldede batterier, hvilket kan skyldes forbedret kontakt mellem elektrodematerialerne og CNT'erne efter foldning. SEM-billeddannelse viste en vis delaminering af CNT-laget ved toppunktet svarende til skæringspunktet mellem to vinkelrette folder; imidlertid, der blev ikke observeret yderligere delaminering eller revner væk fra krydset.

Batterierne foldet i Miura-ori-mønsteret havde lidt reduceret ydeevne sammenlignet med plane batterier, herunder en lavere udledningskapacitet og specifik kapacitet. Forskerne mener, at disse tab kan skyldes delaminering ved skæringspunkterne mellem vinkelrette folder, da disse batterier indeholder 16 hjørner. For at forhindre kortslutning på batterierne, forskerne brugte en fleksibel isolerende tyndfilm, Parylen-C, mellem lag.

Resultaterne giver et første glimt af potentialet ved at bruge foldning til at øge den arealmæssige energitæthed og kapacitet af Li-ion-batterier. I fremtiden, fremskridt inden for geometriske foldealgoritmer, beregningsværktøjer, og robotmanipulation kan føre til mere komplekse foldemønstre og gøre det muligt for batterierne at blive fremstillet i stor skala til kommercielle applikationer.

"Der er uendelige muligheder for at bruge folde- og origami-koncepter til at give nye former, geometrisk design, og nye funktionaliteter til papirbaserede energilagringsenheder, som ikke tidligere var mulige, " sagde Chan.

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.