(Phys.org) - Genom att ansluta en ny flexibel, tunnfilms litiumjonbatteri till en flexibel organisk LED, ett team av forskare från Sydkorea har visat det första fullt fungerande, flexibla elektroniska systemet. Med andra ord, de har visat den totala integrationen av en flexibel display och batteri på ett enda plastunderlag utan hjälp av bulkelektronik. Prestationen bygger på en ny tillverkningsmetod som gör det möjligt för flexibla batterier att arbeta med en mängd olika elektrodmaterial, övervinna tidigare elektrodbegränsningar.

Forskarna, från Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) i Daejeon, Sydkorea, har publicerat sin studie om det nya böjbara litiumjonbatteriet i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .

Även om flera andra flexibla litiumjonbatterier redan har utvecklats, ingen har uppnått tillräcklig prestanda i driftstabilitet för att appliceras på kommersiella produkter, såsom rullbara displayer och annan flexibel konsumentelektronik. Anledningen är att elektroderna för dessa batterier endast kan tillverkas av några få material på grund av tillverkningssvårigheter, och dessa material har inte särskilt bra prestanda. Som medförfattaren Keon Jae Lee från KAIST förklarar, en typ av idealiskt katodmaterial skulle vara en litiumövergångsmetalloxid, även om detta är ett av materialen som för närvarande inte kan införlivas i böjbara Li-ion-batterier.

”Litiumövergångsmetalloxider som används som katodelektrod måste behandlas vid hög temperatur (t.ex. cirka 700 ° C för litiumkoboltoxid) för kristalliniteten, ”Berättade Lee Phys.org . "Dock, det är inte möjligt att värmebehandla det aktiva materialet på flexibla underlag som polymermaterial. ”

För att övervinna denna begränsning, forskarna utvecklade en tillverkningsteknik som gör att de kan värmebehandla elektrodmaterialet, möjliggör användning av nästan vilket material som helst som en elektrod. Denna teknik, kallas den universella överföringsmetoden, innebär att ursprungligen avsätta batterimaterialet på ett sprött glimmerunderlag, liknande den som används vid standard icke-flexibel batteritillverkning. Sedan, med hjälp av tejp, forskarna skalade bort glimmerunderlaget, lager på lager. Efter cirka 10 minuters peeling, forskarna kunde ta bort hela glimmerunderlaget utan att skada tunnfilmsbatteriet.

Nästa, det flexibla batteriet överförs till ett flexibelt polymerark och täcks med ett annat flexibelt polymerark. Resultatet är ett flexibelt litiumjonbatteri som kan tillverkas med nästan vilket elektrodmaterial som helst. Här, forskarna använde litiumkoboltoxid som katodmaterial, som för närvarande är den mest använda katoden i icke-flexibla Li-ion-batterier på grund av dess höga prestanda. För anoden, de använde traditionellt litium.

"Vi tillverkade ett flexibelt litiumjonbatteri med hög prestanda, strukturerat med oorganiska tunna filmer med hög densitet med hjälp av den universella överföringsmetoden, vilket möjliggör förverkligandet av olika flexibla litiumjonbatterier oavsett elektrodkemi, ”Sa Lee. "Dessutom, det kan bilda glödgade elektroder på hög temperatur på polymersubstrat för högpresterande Li-ion-batterier. ”

I tester, forskarna visade att det nya flexibla litiumjonbatteriet har den högsta laddningsspänningen (4,2 V) och laddningskapaciteten (106 μAh/cm ² ) någonsin uppnådd för flexibla Li-ion-batterier. De visade också att batteriet kunde böjas med en hög krökningsvinkel. Dock, efter 100 laddnings-urladdningscykler, batteriet tappade en del av sin kapacitet. Beroende på graden av böjningsdeformation, den behöll mellan 88,2% och 98,4% av sin ursprungliga kapacitet.

Som forskarna förklarade, en taktik som hjälpte dem att uppnå denna höga prestanda även under en hög krökningsvinkel var att placera batteriets aktiva delar i ett mekaniskt neutralt utrymme i batterifilmen. När batterifilmen är böjd, en motvikt utvecklas mellan dragspänningen på utsidan och tryckbelastningen på insidan, som skapar ett mekaniskt neutralt plan i mitten. Ytterligare, forskarna beräknade att den punkt vid vilken kompressionsspänningen övergår till dragspänning vid en viss böjningsgrad kan ha ännu större stabilitet än på ett sprött underlag. Detta resultat tyder på att det kan vara möjligt för flexibla Li-ion-batterier att ha högre stabilitet och bättre prestanda än icke-flexibla Li-ion-batterier.

För att tillverka det första fullt fungerande, flexibla elektroniska systemet, forskarna kopplade det flexibla litiumjonbatteriet till en flexibel organisk LED, varav den senare tillverkades på ett flexibelt indiumtennoxidsubstrat. Forskarna slog sedan in hela systemet med flexibla polymerark för att förbättra den mekaniska stabiliteten. De visade att även när batteriet var i böjt läge, det kan fortfarande driva lysdioden.

I framtiden, forskarna planerar att förbättra batteriets prestanda, särskilt dess energitäthet, samt arbete med massproduktion genom en ettstegs laserlyftningsprocess istället för att använda tejp. De noterar också att den nya universella överföringsmetoden kan utökas till att tillverka andra flexibla enheter, såsom tunnfilmsnanogeneratorer, tunnfilmstransistorer, och termoelektriska anordningar.

”Jag är intresserad av kombinationen av en flexibel energikälla och självdriven piezoelektrisk energiupptagning, kallas nanogeneratorer, ”Sa Lee. ”Det fullt flexibla elektroniska systemet och dess expansion med nanogeneratorer kan förväntas förändra vårt dagliga liv. Också, ska användas inom konsumentelektronik, att öka effektkapaciteten är viktigt. Därför, 3D-stapling av detta 10-um-tjocka tunnfilmsbatteri skulle vara ett intressant ämne. ”

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.