Het team van onderzoekers van Markus Niederberger bij ETH heeft rekbare materialen gebruikt om een ​​batterij te ontwikkelen die kan worden gebogen, uitgerekt en gedraaid. Voor toepassingen in buigbare elektronische apparaten, dit is precies het soort batterij dat ze nodig hebben.

De hedendaagse elektronica-industrie richt zich steeds meer op computers of smartphones met schermen die kunnen worden opgevouwen of opgerold. Slimme kledingstukken maken gebruik van draagbare micro-apparaten of sensoren om lichaamsfuncties te bewaken, bijvoorbeeld. Echter, al deze apparaten hebben een energiebron nodig, dat is meestal een lithium-ionbatterij. Helaas, commerciële batterijen zijn doorgaans zwaar en stijf, waardoor het fundamenteel ongeschikt is voor toepassingen in flexibele elektronica of textiel.

Een remedie voor dit probleem wordt nu gecreëerd door Markus Niederberger, Professor voor multifunctionele materialen aan de ETH Zürich, en zijn team. De onderzoekers hebben een prototype ontwikkeld voor een flexibele dunnefilmbatterij die kan worden gebogen, uitgerekt en zelfs gedraaid zonder de stroomtoevoer te onderbreken.

Wat deze nieuwe batterij speciaal maakt, is de elektrolyt - dat deel van de batterij waardoor lithium-ionen bewegen wanneer de batterij wordt opgeladen of ontladen. Deze elektrolyt werd ontdekt door ETH-promovendus Xi Chen, hoofdauteur van de studie die onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift verscheen Geavanceerde materialen .

Systematisch gebruik maken van buigbare componenten

Naar aanleiding van het ontwerp van commerciële batterijen, dit nieuwe type batterij is als een sandwich in lagen opgebouwd. Echter, het is de eerste keer dat onderzoekers flexibele componenten gebruiken om de hele batterij buigzaam en rekbaar te houden. "Daten, niemand heeft zo systematisch uitsluitend flexibele componenten gebruikt als wij bij het maken van een lithium-ionbatterij, ' zegt Niederberger.

De twee stroomcollectoren voor de anode en de kathode bestaan ​​uit buigbaar polymeercomposiet dat elektrisch geleidende koolstof bevat en dat tevens dienst doet als buitenschil. Op het binnenoppervlak van de composiet, de onderzoekers brachten een dun laagje zilvervlokken van micronformaat aan. Door de manier waarop de vlokken elkaar overlappen als dakpannen, ze verliezen het contact met elkaar niet wanneer het elastomeer wordt uitgerekt. Dit garandeert de geleidbaarheid van de stroomafnemer, zelfs als deze wordt onderworpen aan uitgebreide strekking. En in het geval dat de zilvervlokken inderdaad het contact met elkaar verliezen, de elektrische stroom kan nog steeds door het koolstofhoudende composiet stromen, zij het zwakker.

Met behulp van een masker, de onderzoekers sproeiden vervolgens anode- en kathodepoeder op een nauwkeurig gedefinieerd gebied van de zilverlaag. De kathode is samengesteld uit lithiummangaanoxide en de anode is een vanadiumoxide.

Gelelektrolyt op waterbasis

In de laatste stap, de wetenschappers stapelden de twee stroomcollectoren met de aangebrachte elektroden op elkaar, gescheiden door een barrièrelaag vergelijkbaar met een fotolijst, terwijl de opening in het frame werd gevuld met de elektrolytgel.

Niederberger benadrukt dat deze gel milieuvriendelijker is dan de commerciële elektrolyten:"Vloeibare elektrolyt in de huidige batterijen is ontvlambaar en giftig." In tegenstelling tot, de gelelektrolyt die zijn promovendus Chen ontwikkelde bevat water met een hoge concentratie van een lithiumzout, die niet alleen de stroom van lithiumionen tussen kathode en anode vergemakkelijkt terwijl de batterij wordt opgeladen of ontladen, maar houdt het water ook tegen elektrochemische ontbinding.

De wetenschappers voegden de verschillende onderdelen van hun prototype samen met lijm. "Als we de batterij commercieel op de markt willen brengen, we zullen een ander proces moeten vinden dat het voor een langere periode goed afgesloten houdt, ' zegt Niederberger.

Talloze potentiële toepassingen

Elke dag komen er steeds meer toepassingen voor een batterij als deze bij. Bekende fabrikanten van mobiele telefoons wedijveren met elkaar om toestellen met opvouwbare schermen te produceren. Andere mogelijkheden zijn oprolbare displays voor computers, smartwatches en tablets, of functioneel textiel dat buigbare elektronica bevat - en al deze vereisen een flexibele voeding. "Bijvoorbeeld, je zou onze batterij zo in de kleding kunnen naaien, " zegt Niederberger. Wat belangrijk is, is, in het geval van een batterijlekkage, om ervoor te zorgen dat de vloeistoffen die eruit komen geen schade aanrichten. Hier biedt de elektrolyt van het team een ​​aanzienlijk voordeel.

Echter, Niederberger benadrukt dat er meer onderzoek nodig is om de flexibele batterij te optimaliseren voordat ze overwegen om deze op de markt te brengen. Bovenal, het team moet de hoeveelheid elektrodemateriaal die het kan bevatten vergroten. Een nieuwe promovendus is onlangs begonnen met het verfijnen van de rekbare voeding. De uitvinder van het eerste prototype, Xi Chen, keerde na het voltooien van zijn proefschrift terug naar zijn thuisland China om een ​​nieuwe baan aan te nemen - als adviseur voor de batterij-industrie.