En forme de colonne vertébrale, la nouvelle conception permet une flexibilité remarquable, une densité d'énergie élevée et une tension stable, quelle que soit la façon dont elle est fléchie ou tordue
La tendance de l'électronique flexible et portable augmente rapidement. Montres intelligentes, verre intelligent, capteurs et écrans flexibles tels que les smartphones, les tablettes et les téléviseurs, etc. Cette demande de batteries flexibles hautes performances a également augmenté. Jusqu'à présent, les chercheurs sont confrontés à des problèmes pour obtenir à la fois flexibilité et haute densité d'énergie dans les batteries lithium-ion.
Yuan Yang Professeur assistant de science et ingénierie des matériaux au département de physique appliquée et de mathématiques de Columbia Engineering et son équipe ont développé un prototype capable de relever ces défis. L'équipe Yuan a façonné son prototype de batterie flexible comme la colonne vertébrale humaine qui permet une flexibilité incroyable avec une densité d'énergie élevée, et fournit également une tension stable même peu importe la façon dont elle est tordue ou fléchie.
«La densité énergétique de notre prototype est l'une des plus élevées rapportées à ce jour», déclare Yang. «Nous avons développé une approche simple et évolutive pour fabriquer une batterie lithium-ion flexible de type colonne vertébrale qui possède d'excellentes propriétés électrochimiques et mécaniques. Notre conception est un candidat très prometteur en tant que batterie lithium-ion commerciale flexible de première génération. Nous optimisons maintenant la conception et améliorons ses performances. »
L'équipe Yuan s'inspire du mouvement souple de la colonne vertébrale tout en faisant de l'exercice dans la salle de sport. Une colonne vertébrale humaine est très flexible et mécaniquement robuste. Yuan a utilisé le modèle de colonne vertébrale pour construire la batterie dans le même design. Le prototype a un segment large et solide qui est capable de stocker de l'énergie en tordant les électrodes autour d'une partie flexible mince qui relie les électrodes entre elles. Selon la conception de la colonne vertébrale humaine, les électrodes représentent les «vertèbres» et la partie flexible représente la «moelle».
«Le volume de la partie électrode rigide étant nettement supérieur à celui de l'interconnexion flexible, la densité d'énergie d'une telle batterie flexible peut être supérieure à 85% de celle d'une batterie dans un emballage commercial standard», explique Yang. «En raison de la proportion élevée de matériaux actifs dans toute la structure, notre batterie en forme de colonne vertébrale présente une densité d'énergie très élevée, supérieure à tous les autres rapports dont nous avons connaissance. La batterie a également survécu avec succès à un test de charge mécanique dynamique rigoureux grâce à notre conception bio-inspirée rationnelle.
L'équipe de Yuan a séparé l'anode / séparateur / cathode / séparateur en longues bandes avec de multiples «branches» s'étendant à 90 degrés à partir du «squelette». Ensuite, ils enroulent chaque branche autour de la colonne vertébrale pour former des piles épaisses pour stocker de l'énergie, comme des vertèbres dans une colonne vertébrale. En raison de cette conception unique, la densité d'énergie de la batterie n'est limitée que par le pourcentage longitudinal de piles de type vertèbre par rapport à la longueur totale de l'appareil, qui peut facilement atteindre plus de 90%.
En testant le prototype par cyclage, ils ont trouvé un contour de tension stable, confirmant la stabilité mécanique de leur prototype. Ils l'ont également plié et tordu même après la décharge, mais la conception est parfaite pour ne pas affecter le contour de tension. Le test est effectué en mettant la batterie avec une densité de courant plus élevée et la rétention de capacité est également élevée (84 pour cent à 3 ° C, la charge en 1/3 d'heure). Le prototype a également réussi le test de charge mécanique dynamique.
«Notre conception en forme de colonne vertébrale est beaucoup plus robuste mécaniquement que les conceptions conventionnelles», dit Yang. «Nous prévoyons que notre méthode bio-inspirée et évolutive de fabrication de batteries Li-ion flexibles pourrait considérablement faire progresser la commercialisation d'appareils flexibles.»