(Phys.org) -- Door een nieuwe flexibele, dunne-film Li-ion batterij naar een flexibele organische LED, een team van onderzoekers uit Zuid-Korea heeft het eerste volledig functionele, volledig flexibele elektronische systeem gedemonstreerd. Met andere woorden, ze hebben de totale integratie van een flexibel display en batterij op een enkel plastic substraat aangetoond zonder de hulp van bulkelektronica. De prestatie is gebaseerd op een nieuwe fabricagemethode waarmee flexibele batterijen kunnen werken met een verscheidenheid aan elektrodematerialen, het overwinnen van eerdere elektrodebeperkingen.

De onderzoekers, van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) in Daejeon, Zuid-Korea, hebben hun studie over de nieuwe buigbare Li-ion batterij gepubliceerd in een recent nummer van: Nano-letters .

Hoewel er al verschillende andere flexibele Li-ion-batterijen zijn ontwikkeld, geen enkele heeft een voldoende prestatie in operationele stabiliteit bereikt om te worden toegepast op commerciële producten, zoals oprolbare displays en andere flexibele consumentenelektronica. De reden is dat de elektroden voor deze batterijen slechts van een paar materialen kunnen worden gemaakt vanwege fabricageproblemen, en deze materialen presteren niet erg goed. Zoals co-auteur Keon Jae Lee van KAIST uitlegt:een type ideaal kathodemateriaal zou een lithiumovergangsmetaaloxide zijn, hoewel dit een van de materialen is die momenteel niet in buigbare Li-ion-batterijen kunnen worden verwerkt.

"Lithiumovergangsmetaaloxiden die als kathode-elektrode worden gebruikt, moeten bij hoge temperatuur worden behandeld (bijv. ongeveer 700 °C voor lithiumkobaltoxide) voor de kristalliniteit, " vertelde Lee" Phys.org . "Echter, het is niet mogelijk om het actieve materiaal thermisch te behandelen op flexibele substraten zoals polymeermaterialen.”

Om deze beperking te overwinnen, de onderzoekers ontwikkelden een fabricagetechniek waarmee ze het elektrodemateriaal kunnen thermisch behandelen, waardoor het gebruik van bijna elk materiaal als elektrode mogelijk is. Deze techniek, de universele overdrachtsmethode genoemd, omvat het oorspronkelijk deponeren van de batterijmaterialen op een broos micasubstraat, vergelijkbaar met die gebruikt in standaard niet-flexibele batterij fabricage. Vervolgens, plakband gebruiken, de onderzoekers pelden het micasubstraat weg, laag voor laag. Na ongeveer 10 minuten schillen, de onderzoekers konden het hele mica-substraat verwijderen zonder de dunne-filmbatterij te beschadigen.

Volgende, de flexibele batterij wordt overgebracht op een flexibel polymeervel en afgedekt met een ander flexibel polymeervel. Het resultaat is een flexibele Li-ion batterij die met bijna elk elektrodemateriaal gemaakt kan worden. Hier, de onderzoekers gebruikten lithiumkobaltoxide als kathodemateriaal, wat momenteel de meest gebruikte kathode is in niet-flexibele Li-ion-batterijen vanwege zijn hoge prestaties. Voor de anode, ze gebruikten traditioneel lithium.

"We hebben een hoogwaardige flexibele Li-ionbatterij gefabriceerd die is gestructureerd met anorganische dunne films met hoge dichtheid met behulp van de universele overdrachtsbenadering, die de realisatie van diverse flexibele Li-ion-batterijen mogelijk maakt, ongeacht de elektrodechemie, ' zei Leen. "Bovendien, het kan bij hoge temperatuur gegloeide elektroden vormen op polymeersubstraten voor hoogwaardige Li-ion-batterijen.

Bij testen, de onderzoekers toonden aan dat de nieuwe flexibele Li-ion accu de hoogste laadspanning (4,2 V) en laadcapaciteit (106 μAh/cm ² ) ooit bereikt voor flexibele Li-ion-batterijen. Ze toonden ook aan dat de batterij kan worden gebogen met een hoge krommingshoek. Echter, na 100 laad-ontlaadcycli, de batterij verloor een deel van zijn capaciteit. Afhankelijk van de mate van buigvervorming, het behield tussen 88,2% en 98,4% van zijn oorspronkelijke capaciteit.

Zoals de onderzoekers uitlegden, een tactiek die hen hielp deze hoge prestaties te bereiken, zelfs onder een hoge krommingshoek, was het plaatsen van de actieve delen van de batterij in een mechanisch neutrale ruimte binnen de batterijfilm. Wanneer de batterijfilm gebogen is, er ontstaat een tegenwicht tussen de trekbelasting aan de buitenzijde en de drukbelasting aan de binnenzijde, waardoor een mechanisch neutraal vlak in het midden ontstaat. Verder, de onderzoekers berekenden dat het punt waarop de drukspanning verandert in trekspanning bij een bepaalde mate van buiging een nog grotere stabiliteit kan hebben dan op een brosse ondergrond. Deze bevinding suggereert dat het mogelijk is dat flexibele Li-ion-batterijen een hogere stabiliteit en betere prestaties hebben dan niet-flexibele Li-ion-batterijen.

Om het eerste volledig functionele, volledig flexibele elektronische systeem te fabriceren, de onderzoekers sloten de flexibele Li-ion batterij aan op een flexibele organische LED, waarvan de laatste werd vervaardigd op een flexibel indiumtinoxidesubstraat. De onderzoekers wikkelden het hele systeem vervolgens in met flexibele polymeervellen om de mechanische stabiliteit te verbeteren. Ze toonden aan dat, zelfs als de batterij gebogen was, het kan de LED nog steeds van stroom voorzien.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de batterijprestaties te verbeteren, vooral de energiedichtheid, en werken aan massaproductie door middel van een laser-lift-off-proces in één stap in plaats van plakband te gebruiken. Ze merken ook op dat de nieuwe universele overdrachtsmethode kan worden uitgebreid om andere flexibele apparaten te fabriceren, zoals dunne-film nanogeneratoren, dunnefilmtransistors, en thermo-elektrische apparaten.

“Ik ben geïnteresseerd in de combinatie van een flexibele energiebron en zelfaangedreven piëzo-elektrische energiewinning, nanogeneratoren genoemd, ' zei Leen. “Het volledig flexibele elektronische systeem en de uitbreiding ervan met nanogeneratoren zullen naar verwachting ons dagelijks leven veranderen. Ook, worden gebruikt in consumentenelektronica, het vergroten van het vermogen is belangrijk. Daarom, Het 3D-stapelen van deze 10 um dikke dunne-film batterij zou een interessant onderwerp zijn.”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.