Com a forma de uma coluna vertebral, o novo design permite flexibilidade notável, alta densidade de energia e voltagem estável, independentemente de como é flexionada ou torcida
A tendência de eletrônicos flexíveis e vestíveis está crescendo rapidamente. Relógios inteligentes, vidros inteligentes, sensores e visores flexíveis - como smartphones, tablets e TVs etc. Para essa demanda por baterias flexíveis de alto desempenho também aumentou. Até agora, os pesquisadores estão enfrentando problemas para obter flexibilidade e alta densidade de energia em baterias de íon de lítio.
Yuan Yang, professor assistente de ciência de materiais e engenharia no departamento de física aplicada e matemática da Columbia Engineering, e sua equipe desenvolveram um protótipo que é capaz de enfrentar esses desafios. A equipe Yuan moldou seu protótipo de bateria flexível como a coluna vertebral humana, o que permite uma flexibilidade incrível com alta densidade de energia e também fornece voltagem estável, mesmo não importando como é torcida ou flexionada.
“A densidade de energia do nosso protótipo é uma das mais altas relatadas até agora”, diz Yang. “Desenvolvemos uma abordagem simples e escalonável para fabricar uma bateria de íon de lítio flexível, semelhante a uma coluna, com excelentes propriedades eletroquímicas e mecânicas. Nosso projeto é um candidato muito promissor como bateria comercial de íon de lítio de primeira geração. Agora estamos otimizando o design e melhorando seu desempenho. ”
Yuan Team inspirado no movimento flexível da coluna enquanto faz exercícios na academia. A coluna vertebral humana é altamente flexível e mecanicamente robusta. Yuan usou o modelo da coluna para construir a bateria com o mesmo design. O Protótipo tem um segmento amplo e sólido que é capaz de armazenar energia torcendo os eletrodos em torno de uma parte fina e flexível que os conecta. De acordo com o projeto da coluna humana, os eletrodos representam "vértebras" e a parte flexível representa "medula".
“Como o volume da parte do eletrodo rígido é significativamente maior do que a interconexão flexível, a densidade de energia dessa bateria flexível pode ser maior do que 85 por cento de uma bateria em embalagem comercial padrão”, explica Yang. “Por causa da alta proporção de materiais ativos em toda a estrutura, nossa bateria em forma de coluna mostra uma densidade de energia muito alta - mais alta do que qualquer outro relatório que conhecemos. A bateria também sobreviveu com sucesso a um severo teste de carga mecânica dinâmica devido ao nosso design bioinspirado racional. ”
A equipe de Yuan separou o ânodo / separador / cátodo / separador em longas tiras com vários "ramos" estendendo-se a 90 graus da "espinha dorsal". Em seguida, eles envolvem cada ramo ao redor da espinha dorsal para formar pilhas grossas para armazenar energia, como vértebras em uma espinha. Por ter esse design exclusivo, a densidade de energia da bateria é limitada apenas pela porcentagem longitudinal de pilhas semelhantes a vértebras em comparação com todo o comprimento do dispositivo, que pode facilmente chegar a mais de 90%.
Testando o protótipo de bicicleta, eles encontraram um contorno de voltagem estável, que confirmou a estabilidade mecânica do protótipo. Eles também o flexionaram e torceram mesmo após a descarga, mas o design é perfeito, pois não afetou o contorno da tensão. O teste é realizado colocando a bateria com densidade de corrente mais alta e a retenção de capacidade também é alta (84 por cento a 3C, a carga em 1/3 de hora). O protótipo também passou no teste de carga mecânica dinâmica.
“Nosso design semelhante a uma coluna vertebral é muito mais robusto mecanicamente do que os designs convencionais”, diz Yang. “Prevemos que nosso método bioinspirado e escalonável para fabricar baterias de íon-lítio flexíveis pode avançar muito na comercialização de dispositivos flexíveis.”