Có hình dạng giống như một cột sống, thiết kế mới cho phép linh hoạt vượt trội, mật độ năng lượng cao và điện áp ổn định cho dù nó bị uốn cong hay xoắn như thế nào
Xu hướng thiết bị điện tử có thể đeo và linh hoạt đang tăng lên nhanh chóng. Đồng hồ thông minh, kính thông minh, cảm biến và màn hình linh hoạt - chẳng hạn như điện thoại thông minh, máy tính bảng và TV, v.v. Vì vậy, nhu cầu về pin linh hoạt hiệu suất cao cũng tăng lên. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt với các vấn đề để có được cả tính linh hoạt và mật độ năng lượng cao trong pin lithium-ion.
Yuan Yang Trợ lý giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại khoa vật lý ứng dụng và toán học tại Columbia Engineering và nhóm của ông đã phát triển một nguyên mẫu có thể đối mặt với những thách thức này. Yuan Team đã định hình nguyên mẫu pin linh hoạt của họ giống như cột sống của con người, cho phép linh hoạt đáng kinh ngạc với mật độ năng lượng cao, đồng thời cung cấp điện áp ổn định ngay cả khi nó bị xoắn hay uốn như thế nào.
Yang nói: “Mật độ năng lượng của nguyên mẫu của chúng tôi là một trong những mật độ cao nhất được báo cáo cho đến nay. “Chúng tôi đã phát triển một cách tiếp cận đơn giản và có thể mở rộng để chế tạo một loại pin lithium ion dạng cột sống linh hoạt có các đặc tính điện hóa và cơ học tuyệt vời. Thiết kế của chúng tôi là một ứng cử viên rất hứa hẹn như là thế hệ đầu tiên, linh hoạt, pin lithium-ion thương mại. Hiện chúng tôi đang tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất của nó. ”
Yuan Team lấy cảm hứng từ sự chuyển động dẻo dai của cột sống khi tập thể dục trong phòng tập. Cột sống của con người rất linh hoạt và mạnh mẽ về mặt cơ học. Yuan đã sử dụng mô hình xương sống để cấu tạo pin theo cùng một thiết kế. Nguyên mẫu có một phân đoạn rộng và rắn có thể tích trữ năng lượng bằng cách xoắn các điện cực xung quanh một phần linh hoạt mỏng kết nối các điện cực với nhau. Theo thiết kế cột sống của con người, các điện cực đại diện cho "đốt sống" và phần linh hoạt đại diện cho "tủy".
Yang giải thích: “Do thể tích của phần điện cực cứng lớn hơn đáng kể so với phần kết nối linh hoạt, mật độ năng lượng của loại pin linh hoạt như vậy có thể lớn hơn 85% pin trong bao bì thương mại tiêu chuẩn. “Do tỷ lệ cao của các vật liệu hoạt động trong toàn bộ cấu trúc, pin giống như cột sống của chúng tôi cho thấy mật độ năng lượng rất cao — cao hơn bất kỳ báo cáo nào khác mà chúng tôi biết. Pin cũng sống sót thành công trong thử nghiệm tải cơ học khắc nghiệt nhờ thiết kế lấy cảm hứng từ sinh học hợp lý của chúng tôi. ”
Nhóm của Yuan đã tách cực dương / dải phân cách / cực âm / dải phân cách thành các dải dài với nhiều “nhánh” kéo dài ra 90 độ so với “xương sống”. Sau đó, chúng xếp từng nhánh xung quanh xương sống để tạo thành các ngăn xếp dày để tích trữ năng lượng, giống như các đốt sống trong cột sống. Do có thiết kế độc đáo này, mật độ năng lượng của pin chỉ bị giới hạn bởi tỷ lệ phần trăm theo chiều dọc của các ngăn xếp giống như đốt sống so với toàn bộ chiều dài của thiết bị, có thể dễ dàng đạt hơn 90 phần trăm.
Thử nghiệm nguyên mẫu bằng cách đạp xe, họ tìm thấy đường viền điện áp ổn định, xác nhận độ ổn định cơ học của nguyên mẫu của họ. Họ cũng uốn và xoắn nó ngay cả sau khi phóng điện nhưng thiết kế rất hoàn hảo vì nó không ảnh hưởng đến đường viền điện áp. Thử nghiệm được thực hiện bằng cách đặt pin có mật độ dòng điện cao hơn và khả năng duy trì dung lượng cũng cao (84 phần trăm ở 3C, sạc trong 1/3 giờ). Nguyên mẫu cũng đã vượt qua bài kiểm tra tải trọng cơ học động lực học.
Yang nói: “Thiết kế giống như xương sống của chúng tôi mạnh mẽ hơn nhiều về mặt cơ học so với các thiết kế thông thường. “Chúng tôi dự đoán rằng phương pháp có thể mở rộng, lấy cảm hứng từ sinh học của chúng tôi để chế tạo pin Li-ion linh hoạt có thể thúc đẩy thương mại hóa các thiết bị linh hoạt một cách đáng kể.”