(Phys.org) — Genom att vika ett pappersbaserat Li-ion-batteri i ett Miura-ori-mönster (liknande hur vissa kartor är vikta), Forskare har visat att batteriet uppvisar en 14x ökning av arealenergitäthet och kapacitet på grund av dess mindre fotavtryck. Pappersbaserade batterier är redan attraktiva på grund av deras låga kostnad, tillverkningsmetoder från rulle till rulle, och flexibilitet. Fördelarna med att vika dem till mindre storlekar bidrar till dessa funktioner och kan leda till högpresterande batterier för olika applikationer.

Forskarna, Qian Cheng, et al., från Arizona State University, har publicerat en artikel om vikbara pappersbaserade Li-ion-batterier i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

"Vikbara batterier kan vara användbara för att driva enheter som har begränsat utrymme ombord, "medförfattare Candace Chan, Biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Arizona State University, berättade Phys.org . "Vidare, med utvecklingen av vikbar pappersbaserad elektronik som demonstrerats av andra forskargrupper nyligen, ett batteri som också kan vikas kan bli viktigt för integrering av strömkällan och andra komponenter till en enda, helt hopfällbar enhet."

I den aktuella studien, forskarna använde Li-ion-batterier gjorda av kolnanorör (CNT) bläck som strömavtagare; konventionella litiumbaserade pulver som elektroderna; och tunn, porösa Kimwipes ^TM som papperssubstrat. Forskarna lade också till en beläggning av polyvinylidendifluorid (PVDF) för att förbättra vidhäftningen av CNT-bläcket till papperssubstraten. De slutliga batterierna visade god ledningsförmåga och - efter en irreversibel kapacitetsförlust efter den första cykeln - en relativt stabil kapacitet.

Forskarna experimenterade med enkel vikning av papper på mitten och det mer komplicerade Miura-ori-vikningsmönstret. Med hjälp av det enkla mönstret som vikas på mitten, forskarna fann att en, två, och tre gånger resulterar i att den areella energitätheten och kapaciteten ökar med 1,9, 4,7, och 10,6 gånger jämfört med ett plant batteri. Miura-ori-mönstret skulle kunna vika papperet ännu mer effektivt:att vika ett 6 cm x 7 cm batteri till en bunt med 25 lager ökar arealens energitäthet och kapacitet med 14 gånger och ger en total yta på bara 1,68 cm ² .

"Vi använde 'areal' densitet för att visa att energitätheten per fotavtryckarea ökar, " Chan förklarade. "Detta skiljer sig från den gravimetriska energitätheten, eftersom mängden massa i batterierna inte ändras när de fälls ihop och fälls ut. Så att säga "areal" densitet gör det tydligare vilken densitet vi syftar på."

Övergripande, batterierna vikta i det enkla mönstret bibehöll en elektrokemisk prestanda som liknade de plana batterierna. Coulombic-effektiviteten för de vikta batterierna var till och med högre än för de ovikta batterierna, vilket kan bero på förbättrad kontakt mellan elektrodmaterialen och CNT:erna efter vikning. SEM-avbildning visade viss delaminering av CNT-skiktet vid spetsen motsvarande skärningspunkten mellan två vinkelräta veck; dock, ingen ytterligare delaminering eller sprickbildning observerades bort från korsningen.

Batterierna vikta i Miura-ori-mönstret hade något minskad prestanda jämfört med plana batterier, inklusive lägre utsläppskapacitet och specifik kapacitet. Forskarna tror att dessa förluster kan bero på delaminering vid skärningspunkterna mellan vinkelräta veck, eftersom dessa batterier innehåller 16 hörn. För att förhindra kortslutning på batterierna, forskarna använde en flexibel isolerande tunnfilm, Parylen-C, mellan lagren.

Resultaten ger en första glimt av potentialen med att använda vikning för att öka den arealmässiga energitätheten och kapaciteten hos Li-ion-batterier. I framtiden, framsteg inom geometriska vikningsalgoritmer, beräkningsverktyg, och robotmanipulation kan leda till mer komplexa vikningsmönster och göra det möjligt för batterierna att tillverkas i stor skala för kommersiella tillämpningar.

"Det finns oändliga möjligheter att använda viknings- och origamikoncept för att ge nya former, geometrisk design, och nya funktioner för pappersbaserade energilagringsenheter som inte tidigare varit möjliga, " sa Chan.

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.