(Phys.org) — Door een op papier gebaseerde Li-ionbatterij in een Miura-ori-patroon te vouwen (vergelijkbaar met hoe sommige kaarten worden gevouwen), wetenschappers hebben aangetoond dat de batterij een 14x hogere energiedichtheid en capaciteit vertoont vanwege zijn kleinere voetafdruk. Batterijen op papier zijn al aantrekkelijk vanwege hun lage kosten, roll-to-roll fabricagemethoden, en flexibiliteit. De voordelen om ze in kleinere formaten op te vouwen, dragen bij aan deze kenmerken en kunnen leiden tot krachtige batterijen voor verschillende toepassingen.

De onderzoekers, Qian Cheng, et al., van de Arizona State University, hebben een artikel gepubliceerd over het vouwen van op papier gebaseerde Li-ion-batterijen in een recent nummer van: Nano-letters .

"Opvouwbare batterijen kunnen handig zijn voor het voeden van apparaten met beperkte ruimte aan boord, " co-auteur Candace Chan, Universitair docent Materials Science and Engineering aan de Arizona State University, vertelde Phys.org . "Verder, met de ontwikkeling van opvouwbare, op papier gebaseerde elektronica die onlangs door andere onderzoeksgroepen is aangetoond, een batterij die ook kan worden opgevouwen, kan belangrijk worden voor de integratie van de stroombron en andere componenten in een enkele, volledig opvouwbaar apparaat."

In de huidige studie, de wetenschappers gebruikten Li-ion-batterijen gemaakt van koolstof nanobuis (CNT) inkt als stroomcollectoren; conventionele op lithium gebaseerde poeders als de elektroden; en dun, poreuze Kimwipes ^TM als de papiersubstraten. De onderzoekers voegden ook een polyvinylideendifluoride (PVDF) coating toe om de hechting van de CNT-inkt aan de papiersubstraten te verbeteren. De uiteindelijke batterijen vertoonden een goede geleidbaarheid en - na een onomkeerbaar capaciteitsverlies na de eerste cyclus - een relatief stabiele capaciteit.

De onderzoekers experimenteerden met het eenvoudig dubbelvouwen van de papieren en het meer gecompliceerde Miura-ori vouwpatroon. Met behulp van het eenvoudige in tweeën vouwende patroon, de onderzoekers vonden dat een, twee, en drievoudig resulteert in een verhoging van de energiedichtheid en capaciteit van het gebied met 1,9, 4.7, en 10,6 keer vergeleken met een vlakke batterij. Het Miura-ori-patroon zou het papier nog efficiënter kunnen vouwen:het vouwen van een batterij van 6 cm x 7 cm in een stapel van 25 lagen verhoogt de oppervlakte-energiedichtheid en -capaciteit met 14 keer en geeft een totale oppervlakte van slechts 1,68 cm ² .

"We gebruikten 'oppervlakte' dichtheid om aan te tonen dat de energiedichtheid per voetafdruk wordt verhoogd, " legde Chan uit. "Dit is anders dan de gravimetrische energiedichtheid, aangezien de hoeveelheid massa in de batterijen niet verandert wanneer deze wordt in- en uitgeklapt. Dus het zeggen van 'oppervlakte' dichtheid maakt het duidelijker welke dichtheid we bedoelen."

Algemeen, de batterijen gevouwen in het eenvoudige patroon behielden een elektrochemische prestatie die vergelijkbaar was met de vlakke batterijen. Het Coulomb-rendement voor de opgevouwen batterijen was zelfs hoger dan die voor de uitgevouwen batterijen, wat te wijten kan zijn aan een verbeterd contact tussen de elektrodematerialen en de CNT's na het vouwen. SEM-beeldvorming toonde enige delaminatie van de CNT-laag op de top die overeenkomt met de kruising van twee loodrechte vouwen; echter, geen verdere delaminatie of scheuren werd waargenomen buiten de kruising.

De batterijen gevouwen in het Miura-ori-patroon hadden iets verminderde prestaties in vergelijking met vlakke batterijen, waaronder een lagere afvoercapaciteit en specifieke capaciteit. De onderzoekers denken dat deze verliezen te wijten kunnen zijn aan delaminatie op de kruispunten van loodrechte vouwen, aangezien deze batterijen 16 hoekpunten bevatten. Om kortsluiting op de batterijen te voorkomen, de onderzoekers gebruikten een flexibele isolerende dunne film, Paryleen-C, tussen lagen.

De resultaten bieden een eerste glimp van het potentieel van het gebruik van vouwen om de energiedichtheid en capaciteit van Li-ionbatterijen te vergroten. In de toekomst, vooruitgang in geometrische vouwalgoritmen, rekentools, en robotmanipulatie zou kunnen leiden tot complexere vouwpatronen en het mogelijk maken dat de batterijen op grote schaal worden vervaardigd voor commerciële toepassingen.

"Er zijn eindeloze mogelijkheden om vouw- en origami-concepten te gebruiken om nieuwe vormen te geven, geometrisch ontwerp, en nieuwe functionaliteiten voor op papier gebaseerde energieopslagapparaten die voorheen niet mogelijk waren, ' zei Chan.

© 2013 Fysio.org. Alle rechten voorbehouden.