รูปทรงเหมือนกระดูกสันหลังการออกแบบใหม่ช่วยให้มีความยืดหยุ่นสูงความหนาแน่นของพลังงานสูงและแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรไม่ว่าจะงอหรือบิด
แนวโน้มของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและสวมใส่ได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นาฬิกาอัจฉริยะกระจกอัจฉริยะเซ็นเซอร์และจอแสดงผลแบบยืดหยุ่นเช่นสมาร์ทโฟนแท็บเล็ตและทีวีเป็นต้นสำหรับความต้องการแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นประสิทธิภาพสูงนี้ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน จนถึงขณะนี้นักวิจัยกำลังประสบปัญหาเพื่อให้ได้ทั้งความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของพลังงานสูงในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
Yuan Yangผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมในภาควิชาฟิสิกส์ประยุกต์และคณิตศาสตร์ที่ Columbia Engineering และทีมงานของเขาได้พัฒนาต้นแบบที่สามารถเผชิญกับความท้าทายเหล่านี้ได้ ทีม Yuan ได้สร้างต้นแบบแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่นได้เหมือนกระดูกสันหลังของมนุษย์ที่ให้ความยืดหยุ่นที่น่าทึ่งด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูงและยังให้แรงดันไฟฟ้าที่เสถียรแม้ว่าจะบิดหรืองอก็ตาม
“ ความหนาแน่นของพลังงานของเครื่องต้นแบบของเราเป็นหนึ่งในความหนาแน่นของพลังงานที่ได้รับการรายงานสูงสุด “ เราได้พัฒนาวิธีการที่ง่ายและปรับขนาดได้เพื่อสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกระดูกสันหลังที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าและเชิงกลที่ดีเยี่ยม การออกแบบของเราเป็นตัวเลือกที่น่าจับตามองในฐานะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์รุ่นแรกที่ยืดหยุ่นได้ ตอนนี้เรากำลังเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบและปรับปรุงประสิทธิภาพของมัน”
ทีม Yuan ได้รับแรงบันดาลใจจากการเคลื่อนไหวที่นุ่มนวลของกระดูกสันหลังขณะออกกำลังกายในโรงยิม กระดูกสันหลังของมนุษย์มีความยืดหยุ่นสูงและมีความแข็งแรงทางกลไก Yuan ใช้แบบจำลองกระดูกสันหลังเพื่อสร้างแบตเตอรี่ในรูปแบบเดียวกัน Prototype มีส่วนที่กว้างและเป็นของแข็งซึ่งสามารถเก็บพลังงานได้โดยการบิดอิเล็กโทรดรอบ ๆ ส่วนที่มีความยืดหยุ่นบาง ๆ ซึ่งเชื่อมต่ออิเล็กโทรดเข้าด้วยกัน ตามการออกแบบกระดูกสันหลังของมนุษย์อิเล็กโทรดแสดงถึง "กระดูกสันหลัง" และส่วนที่ยืดหยุ่นแทน "ไขกระดูก"
“ เนื่องจากปริมาตรของชิ้นส่วนอิเล็กโทรดแบบแข็งมีขนาดใหญ่กว่าการเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่นอย่างมีนัยสำคัญความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นดังกล่าวอาจมากกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ของแบตเตอรี่ในบรรจุภัณฑ์มาตรฐานทางการค้า” Yang อธิบาย “ เนื่องจากวัสดุแอคทีฟในโครงสร้างทั้งหมดมีสัดส่วนที่สูงแบตเตอรี่ที่มีลักษณะคล้ายกระดูกสันหลังของเราจึงแสดงความหนาแน่นของพลังงานสูงมากซึ่งสูงกว่ารายงานอื่น ๆ ที่เราทราบ แบตเตอรี่ยังรอดพ้นจากการทดสอบโหลดเชิงกลแบบไดนามิกที่รุนแรงได้สำเร็จเนื่องจากการออกแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพอย่างมีเหตุผลของเรา”
ทีมงานของ Yuan ได้แยกขั้วบวก / ตัวคั่น / แคโทด / ตัวคั่นออกเป็นแถบยาวโดยมี "กิ่งก้าน" หลายอันยื่นออกไป 90 องศาจาก "กระดูกสันหลัง" จากนั้นพวกมันจะล้อมกิ่งก้านแต่ละกิ่งไว้รอบ ๆ กระดูกสันหลังเพื่อสร้างกองหนาสำหรับเก็บพลังงานเช่นกระดูกสันหลังในกระดูกสันหลัง เนื่องจากมีการออกแบบที่ไม่เหมือนใครนี้ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่จะถูก จำกัด โดยเปอร์เซ็นต์ของกองที่มีลักษณะคล้ายกระดูกสันหลังตามยาวเมื่อเทียบกับความยาวทั้งหมดของอุปกรณ์ซึ่งสามารถเข้าถึงได้ง่ายกว่า 90 เปอร์เซ็นต์
การทดสอบต้นแบบโดยการปั่นจักรยานพวกเขาพบโครงร่างแรงดันไฟฟ้าที่มั่นคงยืนยันเสถียรภาพเชิงกลของต้นแบบ พวกเขายังงอและบิดแม้ว่าจะปล่อยออกมาแล้ว แต่การออกแบบนั้นสมบูรณ์แบบโดยไม่ส่งผลกระทบต่อโครงร่างแรงดันไฟฟ้า การทดสอบทำได้โดยการใส่แบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นกระแสสูงขึ้นและการกักเก็บความจุก็สูงเช่นกัน (84 เปอร์เซ็นต์ที่ 3C การชาร์จใน 1/3 ของชั่วโมง) ต้นแบบยังผ่านการทดสอบโหลดเชิงกลแบบไดนามิก
“ การออกแบบที่เหมือนกระดูกสันหลังของเรามีความแข็งแรงเชิงกลไกมากกว่าการออกแบบทั่วไป” หยางกล่าว “ เราคาดหวังว่าวิธีการที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพและปรับขนาดได้ของเราในการประดิษฐ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความยืดหยุ่นจะช่วยพัฒนาอุปกรณ์ที่ยืดหยุ่นได้ในเชิงพาณิชย์