Markus Niederbergers team av forskare vid ETH har använt töjbara material för att utveckla ett batteri som kan böjas, sträckt och vridet. För tillämpningar i böjbara elektroniska enheter, det är precis den typ av batteri de behöver.

Dagens elektronikindustri fokuserar allt mer på datorer eller smartphones med skärmar som kan vikas eller rullas. Smarta klädesplagg använder bärbara mikroenheter eller sensorer för att övervaka kroppsfunktioner, till exempel. Dock, alla dessa enheter behöver en energikälla, som vanligtvis är ett litiumjonbatteri. Tyvärr, kommersiella batterier är vanligtvis tunga och styva, vilket gör den i grunden olämplig för applikationer inom flexibel elektronik eller textilier.

Ett botemedel mot detta problem skapas nu av Markus Niederberger, Professor för multifunktionella material vid ETH Zürich, och hans team. Forskarna har utvecklat en prototyp för ett flexibelt tunnfilmsbatteri som kan böjas, sträckt och till och med vridet utan att avbryta strömförsörjningen.

Det som gör det här nya batteriet speciellt är dess elektrolyt - den del av batteriet som litiumjoner rör sig genom när batteriet laddas eller laddas ur. Denna elektrolyt upptäcktes av ETH doktorand Xi Chen, huvudförfattare till studien som nyligen dök upp i den vetenskapliga tidskriften Avancerade material .

Systematiskt använda böjbara komponenter

Efter utformningen av kommersiella batterier, denna nya typ av batteri är byggd i lager som en smörgås. Dock, det är första gången som forskare har använt flexibla komponenter för att hålla hela batteriet böjbart och töjbart. "Hittills, ingen har använt uteslutande flexibla komponenter så systematiskt som vi har för att skapa ett litiumjonbatteri, "Säger Niederberger.

De två strömavtagarna för anoden och katoden består av böjbar polymerkomposit som innehåller elektriskt ledande kol och som även fungerar som det yttre skalet. På den inre ytan av kompositen, forskarna applicerade ett tunt lager av mikronstora silverflingor. På grund av hur flingorna överlappar varandra som takpannor, de tappar inte kontakten med varandra när elastomeren sträcks. Detta garanterar strömavtagarens ledningsförmåga även om den utsätts för omfattande sträckning. Och i händelse av att silverflingorna faktiskt tappar kontakten med varandra, den elektriska strömmen kan fortfarande flyta genom den kolhaltiga kompositen, om än svagare.

Med hjälp av en mask, forskarna sprutade sedan anod- och katodpulver på ett exakt definierat område av silverskiktet. Katoden är sammansatt av litiummanganoxid och anoden är en vanadinoxid.

Vattenbaserad gelelektrolyt

I det sista steget, forskarna staplade de två nuvarande kollektorerna med de applicerade elektroderna ovanpå varandra, åtskilda av ett barriärlager som liknar en bildram, medan gapet i ramen fylldes med elektrolytgel.

Niederberger betonar att denna gel är miljövänligare än de kommersiella elektrolyterna:"Flytande elektrolyt i dagens batterier är brandfarligt och giftigt." I kontrast, gelelektrolyten som hans doktorand Chen utvecklat innehåller vatten med en hög koncentration av litiumsalt, som inte bara underlättar flödet av litiumjoner mellan katod och anod medan batteriet laddas eller laddas ur, men håller också vattnet från elektrokemisk nedbrytning.

Forskarna sammanfogade de olika delarna av sin prototyp med lim. "Om vi ​​vill marknadsföra batteriet kommersiellt, vi måste hitta en annan process som kommer att hålla det tätt under en längre tid, säger Niederberger.

Många potentiella applikationer

Fler och fler applikationer för ett batteri som detta dyker upp varje dag. Kända tillverkare av mobiltelefoner tävlar med varandra om att tillverka enheter med vikbara skärmar. Andra möjligheter inkluderar rullbara skärmar för datorer, smarta klockor och surfplattor, eller funktionella textilier som innehåller böjbar elektronik – och alla dessa kräver en flexibel strömförsörjning. "Till exempel, du kan sy vårt batteri rakt in i kläderna, " säger Niederberger. Det som är viktigt är, i händelse av batteriläckage, för att säkerställa att vätskorna som kommer ut inte orsakar skada. Det är här lagets elektrolyt erbjuder en avsevärd fördel.

Dock, Niederberger betonar att mer forskning är nödvändig för att optimera det flexibla batteriet innan de överväger att kommersialisera det. Framför allt, laget måste öka mängden elektrodmaterial som det kan hålla. En ny doktorand har nyligen börjat förädla den töjbara strömförsörjningen. Uppfinnaren av den ursprungliga prototypen, Xi Chen, återvände till sitt hemland Kina efter att ha avslutat sin doktorsavhandling för att ta ett nytt jobb – som konsult för batteriindustrin.