척추 모양의 새로운 디자인은 어떤 방식으로 구부러 지거나 꼬이더라도 뛰어난 유연성, 높은 에너지 밀도 및 안정적인 전압을 가능하게합니다.
플렉서블 및 웨어러블 전자 제품의 추세가 빠르게 증가하고 있습니다. 스마트 시계, 스마트 글래스, 센서 및 스마트 폰, 태블릿, TV 등과 같은 플렉서블 디스플레이. 이러한 이유로 고성능 플렉서블 배터리에 대한 수요도 증가했습니다. 지금까지 연구원들은 리튬 이온 배터리에서 유연성과 높은 에너지 밀도를 모두 얻는 데 어려움을 겪고 있습니다.
Columbia Engineering의 응용 물리학 및 수학과의 재료 과학 및 공학 조교수 Yuan Yang 과 그의 팀은 이러한 문제에 대처할 수있는 프로토 타입을 개발했습니다. Yuan Team 은 높은 에너지 밀도로 놀라운 유연성 을 허용 하는 유연한 배터리 프로토 타입을 인간의 척추처럼 형성했으며, 어떻게 꼬이거나 구부러 지는지 상관없이 안정적인 전압을 제공합니다.
“우리 프로토 타입의 에너지 밀도는 지금까지보고 된 최고 수준 중 하나입니다.”라고 Yang은 말합니다. “우리는 전기 화학적 및 기계적 특성이 뛰어난 유연한 척추 모양의 리튬 이온 배터리를 제작하기 위해 간단하고 확장 가능한 접근 방식을 개발했습니다. 우리의 디자인은 1 세대의 유연한 상용 리튬 이온 배터리로서 매우 유망한 후보입니다. 이제 우리는 설계를 최적화하고 성능을 개선하고 있습니다. "
Yuan Team 은 체육관에서 운동을하면서 척추의 유연한 움직임에서 영감을 받았습니다. 인간의 척추는 매우 유연하고 기계적으로 견고합니다. Yuan은 척추 모델을 사용하여 동일한 디자인으로 배터리를 구성했습니다. 프로토 타입은 전극을 서로 연결하는 얇고 유연한 부품 주위로 전극을 비틀어 에너지를 저장할 수있는 넓고 견고한 세그먼트를 가지고 있습니다. 인간의 척추 디자인에 따라 전극은 "척추"를 나타내고 유연한 부분은 "골수"를 나타냅니다.
“강성 전극 부품의 부피가 유연한 상호 연결보다 훨씬 크기 때문에 이러한 유연한 배터리의 에너지 밀도는 표준 상용 패키징에서 배터리의 85 % 이상이 될 수 있습니다.”라고 Yang은 설명합니다. “전체 구조에서 활성 물질의 비율이 높기 때문에 척추 모양의 배터리는 우리가 알고있는 다른 보고서보다 높은 에너지 밀도를 보여줍니다. 또한 우리의 합리적인 생체 영감 설계 덕분에 가혹한 동적 기계적 부하 테스트에서도 배터리가 성공적으로 견뎌냈습니다. "
Yuan의 팀은 양극 / 분리기 / 음극 / 분리기를 "백본"에서 90도까지 연장되는 여러 "분기"를 사용하여 긴 스트립으로 분리했습니다. 그런 다음 척추의 척추처럼 에너지를 저장하기 위해 두꺼운 스택을 형성하기 위해 등뼈 주위에 각 가지를 묶습니다. 이 독특한 디자인으로 인해 배터리의 에너지 밀도는 장치의 전체 길이에 비해 척추와 같은 스택의 세로 비율로만 제한되어 쉽게 90 % 이상에 도달 할 수 있습니다.
사이클링으로 프로토 타입을 테스트 한 결과 안정적인 전압 윤곽을 발견하고 프로토 타입의 기계적 안정성을 확인했습니다. 방전 후에도 구부러지고 비틀어졌지만 전압 윤곽에 영향을 미치지 않는 디자인이 완벽합니다. 테스트는 전류 밀도가 높고 용량 유지율도 높은 배터리를 사용하여 수행됩니다 (3C에서 84 %, 시간의 1/3에 충전). 프로토 타입은 또한 동적 기계적 부하 테스트를 통과했습니다.
"우리의 척추와 같은 디자인은 기존 디자인보다 훨씬 더 기계적으로 견고합니다."라고 Yang은 말합니다. “우리는 바이오에서 영감을 받아 유연한 리튬 이온 배터리를 제조하는 확장 가능한 방법이 유연한 장치의 상용화를 크게 발전시킬 수있을 것으로 기대합니다.”