Nyújtható akkumulátor
Az új akkumulátor nagyobb biztonságot, nagyobb teljesítményt és figyelemre méltó rugalmasságot kínál az új alkalmazásokhoz.
A legtöbben már ismerik és használják az okos telefonok funkcióit, most képzelje el, milyen lehetőségeket kínál az okos szkafander, egyenruha, edzőruha. A hordható technológia jövője nagy lendületet kapott a Houstoni Egyetem (UH) kutatóinak csapatának köszönhetően, akik megtervezték, kifejlesztették és megvalósították a teljesen nyújtható, szövetalapú lítium-ion akkumulátor sikeres prototípusát.
A lítium-ion akkumulátor ezen élvonalbeli fejlesztésének ötlete Haleh Ardebili, Bill D. Cook, az UH gépészmérnök professzorának a fejéből született meg. „Nagy sci-fi-rajongóként el tudnék képzelni egy „sci-fi-szerű jövőt”, ahol a ruháink okosak, interaktívak és erőteljesek” – mondta. „Természetes következő lépésnek tűnt a nyújtható elemek létrehozása és integrálása nyújtható eszközökben és ruházatban. Képzelje el, hogy laptopját vagy telefonját összehajtja, hajlítja vagy kinyújtja. Vagy a ruháinkba ágyazott interaktív érzékelők használatát, amelyek figyelemmel kísérik egészségünket.”
Ezen elképzelések egy része mára már valósággá válik. Azonban, mint minden elektronikai cikknek, ezeknek is szükségük van áramra, és itt jönnek be a nyújtható és flexibilis akkumulátorok. A szövetekbe ágyazott elektronika vagy hordható technológia következő generációjának fejlesztésében a fő szűk keresztmetszet az, hogy a hagyományos akkumulátorok általában merevek, ami korlátozza a funkcionalitást. folyékony elektrolitot használnak, ami biztonsági aggályokat vet fel. A hagyományos szerves folyékony elektrolitok gyúlékonyak, és bizonyos körülmények között az akkumulátorok meggyulladását vagy akár felrobbanását is okozhatják.
Az UH kutatócsoport áttörésének kulcsa abban rejlik, hogy a kutatók vezetőképes ezüstszövetet használnak platformként és áramgyűjtőként.
„A szőtt ezüstszövet ideális volt erre, mivel mechanikusan deformálódik, illetve nyúlik és továbbra is biztosítja az akkumulátorelektróda megfelelő működéséhez szükséges elektromos vezetési sávokat. Az akkumulátorelektródának lehetővé kell tennie mind az elektronok, mind az ionok mozgását” – mondta Ardebili, aki az Extreme Mechanics Lettersben megjelent tanulmány részletező szerzője. A dolgozat első szerzője Bahar Moradi Ghadi, egykori doktorandusz, aki erre a kutatásra alapozta disszertációját.
A merev lítium-ion akkumulátorelektródák hordható, szövet alapú, rugalmas és nyújtható elektródákká való átalakításával ez a technológia izgalmas lehetőségeket nyit meg azáltal, hogy stabil teljesítményt és biztonságosabb tulajdonságokat kínál a hordható eszközök és a beültethető bioszenzorok számára.
A kezdetek
A nyújtható akkumulátorok ötlete Ardebiliben néhány évvel ezelőtt merült fel.
"Érdekelt, hogy megértsem az alapvető tudományt és az elektrokémiai cella és összetevői nyújtásával kapcsolatos mechanizmusokat" - mondta. "Ez egy feltáratlan terület volt a tudomány és a mérnöki tudományok terén, és nagyszerű terület volt a kutatás számára."
A mechanikai deformáció és az elektrokémiai teljesítmény összekapcsolási hatásainak tudománya fontos terület és a nyújtható akkumulátorok nagyszerű eszközt biztosítanak az alapvető mechanizmusok feltárásához.
Ardebili ötletét pályázatba foglalta, és számos kulcsfontosságú díjat nyert munkája támogatására, köztük a Nemzeti Tudományos Alapítvány ötéves KARRIER Díját 2013-ban, a New Investigator Award-ot a NASA Texas Space Center Grant Consortiumtól 2014-ben, valamint egy díjat a NASA-tól. Az US Army Research Lab (ARL) 2017-ben.
„Bár létrehoztunk egy prototípust, még mindig dolgozunk az akkumulátor kialakításán, az anyagok- és a gyártás optimalizálásán” – mondta Ardebili.
A folytatás
Ardebili bizakodó, hogy a nyújtható, szövet alapú akkumulátor prototípusa sokféle alkalmazás számára megnyitja majd az utat, mint például az intelligens űrruhák, a ruházatba ágyazott fogyasztói elektronika, amely figyeli az emberek egészségét, és az emberekkel különböző szinteken kapcsolatba kerülő eszközök. Számos lehetséges kialakítás és alkalmazás létezik a biztonságos, könnyű, rugalmas és nyújtható akkumulátorok számára, de még mindig van mit tenni, mielőtt megjelennek a piacon.
„A kereskedelmi piacon való térnyerése számos tényezőtől függ, például a termék gyárthatóságának növelésétől, a költségektől és egyéb tényezőktől” – mondta. „Ezen megfontolások és célok érdekében dolgozunk, miközben optimalizáljuk és javítjuk nyújtható akkumulátorunkat.”
Függetlenül attól, hogy a rugalmas akkumulátorok végül szkafanderekbe, edzőruhákba vagy más innovatív alkalmazásokba kerülnek, Ardebili azt akarja, hogy megbízhatóak és biztonságosak legyenek. „Az a célom, hogy az akkumulátorok a lehető legbiztonságosabbak legyenek” – mondta.
Elkészült a hajlékony és nyújtható lítiumion-akkumulátor
Amerikai kutatók fejlesztésének forradalmi eredménye az a nyújtható, szövetalapú lítiumion- akkumulátor, amelynek prototípusát a Houstoni Egyetemen fejlesztették ki. A csapat akár komoly kereskedelmi sikert is remélhet az eszköztől. A hajlékony és nyújtható elem megalkotásához vezetőképes ezüstszövet szolgált platformként, és már a prototípus képes rá, hogy teljesítményvesztés nélkül akár 15 százalékkal kinyújtsák.
„Az ezüstszövet ideális volt a munkánkhoz, mivel mechanikusan deformálódik vagy nyúlik, és mégis biztosítja az akkumulátor elektródája jó működéséhez szükséges elektromos vezetést. És az akkumulátor-elektródnak lehetővé kell tennie az elektronok és az ionok mozgását” – magyarázza a kutatást vezető Haleh Ardebili professzor.
„Ez feltáratlan terület volt a mérnöki tudományokban, egyben nagyszerű tárgya a további vizsgálatnak. Bár létrehoztunk egy prototípust, még mindig dolgozunk az akkumulátor tervezésének, anyagainak és gyártásának optimalizálásán” – fűzi hozzá a tanulmány fő szerzője, a doktorandusz Bahar Moradi Ghadi.
Ardebili szerint minden okuk megvan az optimizmusra azzal kapcsolatban, hogy a nyújtható szövetalapú akkumulátor prototípusa számos alkalmazási mód előtt nyitja meg az utat. Ezek közé tartozik szerinte az intelligens űrruhák fejlesztése, az emberek egészségi állapotát figyelő ruhák gyártása, a hagyományos értelemben vett fogyasztói elektronika és az emberekkel különböző szinteken interakcióba lépő eszközök fejlesztése.
