Rekbare batterijen maken flexibele elektronica nog meer

De rekbare batterij wint terrein in de elektronica-industrie, waar hij op een dag zou kunnen dienen als energieopslagmedium in fitnesstrackers, draagbare elektronica en zelfs slimme kleding.

Onderzoekers geloven dat het concept de komende tien jaar waardevoller zal worden, naarmate elektronische apparaten steeds dichter bij de menselijke huid komen. “Voor veel toepassingen, zoals draagbare apparaten, is rekbaarheid noodzakelijk omdat onze huid uitrekt als we bewegen”, zegt James Pikul, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. “Een batterij die alleen maar buigt, is niet prettig om mee te nemen.”

Een rekbare batterij gedraagt ​​zich als een elastiekje, terwijl een flexibele batterij meer op een stuk papier lijkt, dat kan worden gebogen maar niet uitgerekt.

Pikul en anderen over de hele wereld werken nu aan batterijen die uitrekken. De nieuwe batterijen verschillen van de algemeen bekende “flexibele batterijen” doordat ze bestand zijn tegen axiale spankrachten – longitudinale krachten op het lichaam die spanning en compressie omvatten – en elastisch zullen uitrekken wanneer een dergelijke kracht wordt uitgeoefend. In wezen gedraagt ​​een rekbare batterij zich als een elastiekje, terwijl flexibele batterijen meer op een stuk papier lijken, dat kan worden gebogen maar niet uitgerekt.

Patches staan ​​voor stretch

De recente belangstelling voor rekbare batterijen komt voort uit het toenemende gebruik van niet-aangedreven draagbare pleisters die bloed en zelfs zweet volgen. Gatorade verkoopt nu bijvoorbeeld een huidpleister genaamd de Gx Sweat Patch, die helpt bij het volgen van de persoonlijke hydratatie. Een aantal andere bedrijven bieden draagbare medische pleisters aan, waarvan er vele baat zouden hebben bij integratie van stroombronnen. “We zien dat micro-elektronica overal wordt gebruikt”, zegt Thierry Djenizian, professor op de afdeling flexibele elektronica van de School of Mines Saint-Etienne in Frankrijk. “En die elektronica heeft elektriciteit nodig. Eén oplossing is de ontwikkeling van microbatterijen die volledig onzichtbaar kunnen zijn.”

“We hebben de batterij uitgerekt, gedraaid, erop geslagen met een hamer en nog steeds laten zien dat hij onder al deze vervormingen consistent een servomotor kon aandrijven.” —James Pikul, Universiteit van Wisconsin-Madison

Djenizian maakt deel uit van een groep die in februari een artikel in het tijdschrift publiceerde Geavanceerde materiaaltechnologieën tot een rekbare lithium-iondraadbatterij. De draadbatterij, met een diameter van 1,4 millimeter en een lengte van ruim 20 centimeter, gebruikt gedraaid koperweefsel als stroomafnemer. Het wordt vervaardigd met behulp van conventionele batterijchemie zoals lithiumkobaltoxide (LCO) en lithiumnikkelkobaltaluminium (NCA, een tijdlang populair in Tesla-auto’s). De onderzoekers melden dat hun batterij tot 22 procent kan worden uitgerekt en kan worden gebruikt in toepassingen zoals biomedische patches, gezondheidsmonitoring, slim textiel en polshorloges. Jenizian zei dat een groot deel van de aantrekkingskracht van de batterij eenvoudig gemak is. “Als je een yoga-stretch doet, kan je shirt aan je trekken. En als je batterijen hebt die niet kunnen uitrekken, zul je dat voelen.”

Op dezelfde manier maakt Pikul deel uit van een groep die in maart een artikel in het tijdschrift publiceerde Geavanceerde functionele materialen op rekbare metaal-luchtbatterijen. De nieuwe metaal-luchtbatterij lost een simpel feit over de levensduur van de batterij op: harde metalen kunnen goede anodes en kathodes zijn, maar ze rekken niet uit. De oplossing voor dat dilemma is een architectuur waarin de metalen elektroden van de batterij vrij tussen de behuizing en de elektrolyt kunnen glijden, die beide Doen strekken.

Het resultaat is dat de actieve delen van de batterij – de anode en kathode – niet hoeven te worden uitgerekt. In wezen glijden ze over het oppervlak van de elektrolyt. De elektrolyt is gemaakt van hydrogel, een stof die ongeveer de consistentie heeft van een zachte contactlens. “De anode en kathode zijn blokken en ze glijden gewoon over de andere componenten die het uitrekken doen”, legt Pikul uit. Een draadbatterij gebruikt een metalen anode, meestal zink, en een koolstofdoek gevuld met platina, als “lucht” -kathode. De batterij is niet oplaadbaar en wordt onder meer gebruikt in medische pleisters en gehoorapparaten.

Zink aan het mengsel toevoegen

Onderzoekers ontwikkelen ook rekbare batterijen die zijn ontworpen voor de veiligheid, die zelfs kunnen worden gebruikt in toepassingen waarbij de bedrade batterij in contact komt met bijvoorbeeld de natte huid van een zwetende gebruiker. In een artikel dat in februari in het tijdschrift werd gepubliceerd KleinVolgens de auteurs Zhao Wang en Jian Zhu is de sleutel tot dergelijke batterijen een rekbare zinkionchemie die gebruik maakt van een waterige elektrolyt. Dergelijke batterijen zijn veiliger dan lithium-ionbatterijen, die een ‘inherent brandbare’ organische elektrolyt gebruiken, zeggen ze. “Rekbare batterijen met waterige elektrolyten kunnen ons absolute veiligheid en betrouwbaar vermogen bieden tijdens vervorming”, schreef Zhu in een e-mail.

De auteurs beschrijven een aantal zinkionchemieën, waarbij meestal een zinkanode en een mangaanoxide- of zilverkathode betrokken zijn. De energiecapaciteit van een rekbaar zinkion varieert van enkele milliampère-uur per gram tot maar liefst 300 mAh per gram. “Vergeleken met conventionele lithium-ionbatterijen hebben rekbare zink-ionbatterijen een lagere energiedichtheid, maar kunnen ze de meeste stroomverbruikende modules van stroom voorzien”, zei Zhu, waaronder sensoren, transistors en displays. Met zorgvuldige engineering, zei hij, kunnen batterijen meer dan 900 procent worden uitgerekt.

In tegenstelling tot batterijen voor mobiele telefoons, die een groot deel van het volume en gewicht van het totale product verbruiken, wordt verwacht dat het nieuwe type rekbare batterij vrijwel onzichtbaar zal zijn. De meeste hebben een diameter van minder dan 2 millimeter en wegen slechts een paar gram.

Bovendien lijkt duurzaamheid geen probleem te zijn bij de dunne, rekbare batterijen. De onderzoekers zeiden dat ze hun rekbare batterijen zonder incidenten aan aanzienlijk misbruik hadden onderworpen. “We hebben de batterij uitgerekt, gedraaid, erop geslagen met een hamer, en toch hebben we laten zien dat hij onder al deze vervormingen de servomotor constant kan aandrijven”, zei Pikul.

Batterij-experts zijn van mening dat het concept van rekbaarheid haalbaar is en waarschijnlijk een markt zal vinden. “Ja, in principe zou een rekbare batterij gemaakt kunnen worden, op voorwaarde dat er een geschikte anode was”, zegt Donald Sadoway, een gepensioneerde professor materiaalkunde aan het MIT en oprichter van de Sadoway Labs Foundation, een non-profit onderzoeksinstelling die zich toelegt op nieuwe batterij-ontdekkingen. . “Maar misschien is flexibiliteit wat nodig is, en niet noodzakelijkerwijs stretch.” Sadoway voegde eraan toe dat hij in de jaren negentig een rekbare batterij voor een polshorloge bouwde, maar vond dat het te vroeg was voor de markt.

Geen van de huidige onderzoekers weet wanneer het nieuwe type batterijen op de markt zal komen, maar ze verwachten dat de vraag ernaar zal groeien. “In de afgelopen tien jaar zijn er al deze ontwikkelingen geweest op het gebied van rekbare elektronica, en nu zijn er veel nieuwe toepassingen”, zei Pikul. “Er is dus behoefte aan stroom voor deze rekbare apparaten, en de logische oplossing is om rekbare batterijen te hebben.”