على شكل العمود الفقري ، يتيح التصميم الجديد مرونة ملحوظة ، وكثافة طاقة عالية ، وجهدًا ثابتًا بغض النظر عن كيفية ثنيه أو التواءه
يتزايد اتجاه الإلكترونيات المرنة والقابلة للارتداء بسرعة. الساعات الذكية ، والزجاج الذكي ، وأجهزة الاستشعار ، وشاشات العرض المرنة - مثل الهواتف الذكية ، والأجهزة اللوحية ، وأجهزة التلفزيون وما إلى ذلك. كما زاد الطلب على البطاريات المرنة عالية الأداء. حتى الآن ، يواجه الباحثون مشاكل في الحصول على المرونة وكثافة الطاقة العالية في بطاريات الليثيوم أيون.
Yuan Yang الأستاذ المساعد لعلوم وهندسة المواد في قسم الفيزياء التطبيقية والرياضيات في Columbia Engineering وطور فريقه نموذجًا أوليًا قادرًا على مواجهة هذه التحديات. قام فريق Yuan Team بتشكيل نموذجهم الأولي المرن للبطارية مثل العمود الفقري البشري الذي يسمح بمرونة مذهلة مع كثافة طاقة عالية ، كما يوفر جهدًا ثابتًا حتى بغض النظر عن كيفية التواء أو ثني.
يقول يانغ: "تعد كثافة الطاقة في نموذجنا الأولي من أعلى كثافة تم الإبلاغ عنها حتى الآن". "لقد طورنا نهجًا بسيطًا وقابلًا للتطوير لتصنيع بطارية ليثيوم أيون مرنة تشبه العمود الفقري وتتميز بخصائص كهروكيميائية وميكانيكية ممتازة. تصميمنا هو مرشح واعد للغاية باعتباره الجيل الأول من بطاريات الليثيوم أيون التجارية المرنة. نعمل الآن على تحسين التصميم وتحسين أدائه ".
فريق اليوان مستوحى من الحركة اللينة للعمود الفقري أثناء ممارسة التمارين في صالة الألعاب الرياضية. العمود الفقري البشري مرن للغاية وقوي ميكانيكيًا. استخدم يوان نموذج العمود الفقري لبناء البطارية بنفس التصميم. يحتوي النموذج الأولي على مقطع عريض وصلب قادر على تخزين الطاقة عن طريق لف الأقطاب الكهربائية حول جزء مرن رفيع يربط الأقطاب الكهربائية معًا. وفقًا لتصميم العمود الفقري البشري ، تمثل الأقطاب الكهربائية "فقرات" ويمثل الجزء المرن "النخاع".
يوضح يانغ: "نظرًا لأن حجم جزء القطب الصلب أكبر بكثير من التوصيل البيني المرن ، فإن كثافة الطاقة لمثل هذه البطارية المرنة يمكن أن تكون أكبر من 85 بالمائة من البطارية في العبوات التجارية القياسية". "نظرًا لارتفاع نسبة المواد النشطة في الهيكل بأكمله ، تُظهر بطاريتنا الشبيهة بالعمود الفقري كثافة طاقة عالية جدًا - أعلى من أي تقارير أخرى نعرفها. نجحت البطارية أيضًا في اجتياز اختبار الحمل الميكانيكي الديناميكي القاسي بسبب تصميمنا المنطقي المستوحى من الحيوية ".
قام فريق Yuan بفصل الأنود / الفاصل / الكاثود / الفاصل إلى شرائح طويلة ذات "فروع" متعددة تمتد 90 درجة من "العمود الفقري". ثم يلفون كل فرع حول العمود الفقري ليشكلوا أكوامًا سميكة لتخزين الطاقة ، مثل الفقرات في العمود الفقري. نظرًا لوجود هذا التصميم الفريد ، فإن كثافة طاقة البطارية محدودة فقط من خلال النسبة المئوية الطولية للأكوام الشبيهة بالفقرات مقارنة بطول الجهاز بالكامل ، والذي يمكن أن يصل بسهولة إلى أكثر من 90 بالمائة.
باختبار النموذج الأولي عن طريق ركوب الدراجات ، وجدوا مخطط جهد ثابتًا ، وأكد الاستقرار الميكانيكي لنموذجهم الأولي. قاموا أيضًا بثنيها ولفها حتى بعد التفريغ ولكن التصميم مثالي بحيث لا يؤثر على مخطط الجهد. يتم إجراء الاختبار عن طريق وضع البطارية بكثافة تيار أعلى والاحتفاظ بالسعة مرتفع أيضًا (84 بالمائة عند 3 درجات مئوية ، الشحن في 1/3 من الساعة). اجتاز النموذج الأولي أيضًا اختبار الحمل الميكانيكي الديناميكي.
يقول يانغ: "تصميمنا الشبيه بالعمود الفقري أكثر قوة من الناحية الميكانيكية من التصميمات التقليدية". "نتوقع أن طريقتنا المستوحاة بيولوجيًا والقابلة للتطوير لتصنيع بطاريات Li-ion المرنة يمكن أن تعزز بشكل كبير تسويق الأجهزة المرنة."