Гибкие аккумуляторные батареи

Ни для кого давно не секрет, что аккумуляторы плотно вошли в повседневную жизнь современных людей. Это источники питания наших сотовых телефонов, цифровых фотоаппаратов, видеокамер, планшетов и ноутбуков, — перечислять можно бесконечно. Что касается точных медицинских приборов, носимых портативных устройств, то здесь дело обстоит серьезнее всего, ведь на кону может стоять человеческая жизнь.

Несмотря на достижения аккумуляторной промышленности, как то литиевые аккумуляторы любой формы и любых желаемых размеров, прогресс в данной области не стоит на месте, и вот на очереди следующее новшество – гибкий аккумулятор.

Это аккумулятор на основе эластичного полимера. Если с сжиженным электролитом могли возникнуть проблемы, связанные с безопасностью из-за разрушения разделительной пленки при нагревании в процессе работы, то в случае с полимером стабильность материалов весьма и весьма высока, утверждают специалисты из Ульсанского Национального института науки и технологий Южной Кореи.

Еще один вид гибких аккумуляторов, которые можно будет просто печатать на специальном принтере, предлагает калифорнийская компания Imprint Energy. Фирма намерена использовать в своем новшестве цинк вместо традиционного лития. Цинк-полимерные гибкие аккумуляторные батареи можно будет с успехом использовать в носимой миниатюрной медицинской электронике и в автономных сенсорах.

Применение цинка сделает аккумуляторы более компактными, ведь цинк не реагирует с окружающей средой так, как реагирует литий, и его можно не защищать корпусом, а само производство будет совершенно безопасным. Кроме того, эти аккумуляторы могут выдерживать, не теряя высоких характеристик, более тысячи циклов заряда-разряда. Такие гибкие и безопасные аккумуляторы смогут также с успехом применяться в имплантируемой электронике.

В свою очередь, крупнейшая корейская химическая компания LG Chemical, один из лидеров по производству литий-ионных аккумуляторов в мире, член корпорации LG, недавно представила потребителям литий-ионный аккумулятор абсолютно нового типа. Новинка с виду очень похожа на кусок обычного электрического кабеля, диаметром около трех миллиметров и длиной 25 сантиметров.

Устройство такое гибкое, что легко может быть завязано в узел. Его можно носить в качестве браслета, и при необходимости можно изготовить даже ткань из таких батарей.

Химически аккумулятор работает как любой литий-ионный собрат. У него, как у любого подобного аккумулятора, имеется анод, катод из окиси лития-кобальта и электролит. Однако компоненты расположены не плоскими слоями, а в форме гибких спиралей, похожих на длинные тонкие пружины.

Многожильный медный электрод, выполненный из меди, покрытой сплавом олова и никеля, выступает в качестве катода. Этот многожильный провод наматывается вокруг стального стержня, диаметр которого полтора миллиметра, и, по завершении намотки, стержень убирается. Анод, обладающий невероятной гибкостью готов.

Поверх спирали анода укладывается аналогичным образом алюминиевая лента, затем вся конструкция протягивается через суспензию окиси лития-кобальта, которая, покрыв поверхность алюминия, становится катодом. После этого получившийся шнур помещают в защитную обертку, и через полость, что остается в центре, наполняют жидким электролитом, и это завершающая стадия создания гибкой аккумуляторной батареи.

Гибкие аккумуляторные батареи, которые создавались до этого, представляли собой традиционные плоские формы, изготовленные из гибких полимерных материалов. Такие батареи имели низкую плотность хранения энергии, и не могли изгибаться более, чем могла изогнуться основа из пластика.

У аккумуляторов кабельного типа, предлагаемых LG Chem, имеются аналогичные рабочее напряжение и плотность хранения энергии, как и у традиционных литий-ионных аккумуляторных батарей, однако преимущество в тонкости и гибкости, а это позволит реализовывать совершенно фантастические вещи.

При проведении тестов с кабельной аккумуляторной батареей, специалисты компании LG Chem убедились в том, что отрезок кабеля-батареи, длиной в 25 сантиметров, в состоянии снабжать электрической энергией флеш-плеер без дисплея непрерывно в течение 10 часов. Целью компании является массовое производство кабельных аккумуляторов разных размеров уже к середине 2017 года.

Перспективы применения здесь просто неограниченны, ведь, как уже отмечалось, аккумуляторы всюду используются в современном мире, а прогресс с каждым разом намечает все новые и новые пути развития множества технологий, начиная портативной электроникой, и заканчивая высокотехнологичными космическими аппаратами, военной техникой и медицинскими приборами, спасающими жизни.

Источник

Создан первый в мире гибкий сверхтонкий аккумулятор с характеристиками не хуже литиевых батарей

Корейские ученые создали очень тонкий аккумулятор на основе микропленочного конденсатора, способный выдерживать многочисленные сгибания и разгибания без потери емкости. Его предложено использовать в телефонах со складным экраном и носимых устройствах.

Аккумулятор будущего

В Южной Корее разработан тонкий и гибкий аккумулятор, способный сохранять заряд даже после многочисленных деформаций. Он создан учеными Корейского института энергетических исследований (Korea Atomic Energy Research Institute) и выглядит как стикер, способный держаться практически на любой поверхности. Статья о нем опубликована в научном журнале Chemical Engineering Journal.

Аккумулятор, по заявлениям разработчиков представляет собой микропленочный ультратонкий конденсатор, рассчитанный на накопление большого количества энергии. Для закрепления такого конденсатора на поверхности ученые предложили использовать ультракороткие лазерные импульсы, которые частично расплавляют аккумулятор и «прилепляют» его. Воздействие импульсов, по их словам, оказывается только на корпус и не влияет на технические характеристики самой батареи.

Особенности аккумулятора

Внутри новый корейский аккумулятор состоит из адгезивных полимерных композитов, а также пористого графена. Эти элементы покрыты особым функциональным имитатором адгезивного белка, что и позволяет всей конструкции многократно гнуться без повреждений. Батарея способна не только длительное время сохранять работоспособность после деформации, но и возвращаться в исходную форму.

Разработчики, намекая на высокую токсичность современных широко используемых аккумуляторов, заявили, что их микропленочный конденсатор оказывает незначительное влияние на окружающую среду. При попадании в почву он «довольно быстро» разлагается, однако ученые не сообщили ни время, в течение которого протекает этот процесс, ни список элементов, остающихся в почве после его завершения.

Сравнение с литий-ионными батареями

Удельная энергия нового корейского аккумулятора составляет 1,08 мВтч на каждый см 3 его площади. Этот параметр находится приблизительно на одном уровне с тонкопленочными литий-ионными АКБ.

В то же время удельная мощность нового аккумулятора равна 83,5 мВт на каждый см 3 . Это, по словам разработчиков, в 13 раз больше, чем у литиевых батарей.

Литий-ионные АКБ из-за особенностей конструкции не способны выдерживать сильные деформации и сохранять при этом не только работоспособность, но и емкость. В ряде случаев сильные изгибы таких батарей могут привести к их возгоранию, а иногда, как это было со смартфоном Samsung Galaxy Note 7, для этого достаточно и легкой деформации.

В этом плане аккумулятор, созданный корейскими учеными, существенно более надежен. Помимо этого, он способен сохранить 99% своей емкости после 200 циклов сгибания, да и «бомбардировка» ультракороткими лазерными импульсами тоже практически не влияет на этот параметр. После 200 циклов «приклеивания» аккумулятора путем его частичного расплавления емкость сохраняется на уровне 97%. Создатели батареи, тем не менее, не уточняют, почему при монтаже аккумулятора нужно использовать именно лазер вместо обычного двухстороннего скотча или просто клейкой субстанции – оба эти способа используют все крупные производители мобильной электроники, включая Apple.

Коммерциализация технологии

Авторы аккумулятора-стикера не называют сроки появления своего детища в серийно выпускаемых устройствах. Они также не уточняют, на какой стадии разработки оно находится, и существуют ли рабочие прототипы, пригодные хотя бы для мелкосерийного производства.

В то же время ученые точно знают, в каких устройствах их изобретение появится в первую очередь. Помимо смартфонов с гибкими экранами это будет и носимая электроника – фитнес-трекеры, смарт-часы и т. д.

Стоит отметить, что некоторые крупные вендоры действительно заинтересованы в использовании гибких аккумуляторов в своей продукции. В их число входит и компания Apple, которая еще в 2013 г. работала над собственной версией гибкого источника энергии. Она планировала использовать его в умных часах Watch, но по итогу во всех существующих поколениях этого устройства, включая вышедшее в сентябре 2019 г. поколение Series 5, применяется обычная литиевая АКБ.

Что касается смартфонов с гибким экраном, то в подавляющем большинстве из них для питания электронных компонентов используются два литиевых аккумулятора. Подобный принцип реализован в вышедшем в феврале 2019 г. Samsung Galaxy Fold, а вместе с ним – в Motorola Razr 2019 образца осени 2019 г. и раскладушке Samsung Galaxy Z Flip, увидевшей свет в феврале 2020 г.

Источник

Гибкие аккумуляторные батареи

На сегодняшний день аккумуляторы стали неотъемлемой частью многих современных устройств. Они используются в телефонах, ноутбуках, планшетах, видеокамерах и медицинских приборах. Огромным шагом вперед стали литий-ионные аккумуляторные батареи по сравнению с устаревшими щелочными элементами питания. Однако эти аккумуляторы имеют и недостатки. Они пожароопасные, дорогие, имеют небольшую емкость и не могут длительное время сохранять заряд.

Особенности гибкой аккумуляторной батареи

Специалисты утверждают, что решить подобные проблемы смогут гибкие аккумуляторные батареи, которые смогут стать безопасной и дешевой альтернативой существующим батареям. На данный момент гибкие батареи еще не нашли промышленного применения, но они продолжают активно усовершенствоваться. Гибкие батареи позволят создавать уникальные изделия, которые ранее сложно было представить.

Устройство

Над устройством гибких аккумуляторных батарей работает множество ученых. Поэтому на сегодняшний день можно встретить различные аккумуляторы, которые выполнены из разных элементов и материалов.

На первых этапах гибкие аккумуляторные батареи имели следующее устройство:

1. Полимерные подложки и низко-производительные органические материалы, которые занимают много пространства.
2. Катоды. Для улучшения свойств этих элементов специалисты подвергали их высокотемпературным обработкам.
3. Гибкие полимеры, которые разрушались при высоких температурах.

Затем исследователи из KAIST свою версию гибкой литий-ионной батареи:

1. Тонкая пластина, которая может выдерживать высокие температуры.
2. С помощью клейкой ленты на нее укладывают несколько слоев: анод, электролит катод и токоприемник.

Скручивание подобного аккумулятора практически не сказывается на его производительности. Даже при сильном сгибании напряжение практически не меняется, а емкость снижается не больше, чем на 7%.

Исследователи из технологического института Нью-Джерси создали свой собственный прототип гибких батарей:

1. Гибкая пластиковая подложка, которую пропитывают электро-активными ингредиентами.
2. Электро-активные ингредиенты включают в себя микрочастицы и нанотрубки.
3. Микрочастицы выполняются из литиевых солей или из цинка с добавлением диоксида марганца.

Если рассмотреть этот прототип тогда можно заметить, что он представляет собою конверт или пакет, в котором находятся два электрода. Все это помещается в солевой раствор. Такая батарея заряжается меньше минуты, и она является полностью безопасной по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.

LG Chem также разработала свою гибкую аккумуляторную батарею. Аккумулятор был выполнен в виде кабеля, а его диаметр составляет всего несколько миллиметров. Теперь давайте рассмотрим ее устройство:

1. Катод выполнен из окси лития-кольбата.
2. Анод.
3. Электролит.

Главная особенность этого аккумулятора заключается в том, что все компоненты выполнены в виде гибких спиралей, а не располагаются в виде гибких слоев. В качестве катода выступают тонкие медные провода, покрыты специальным слоем из сплава никеля и олова.

Гибкая аккумуляторная батарея от LG Chem

В дальнейшем такие нити будут сплетаться в более толстое волокно и обертываются вокруг стержня диаметром в 1.5 мм. После удаления стержня останется гибкая и прочная спираль будущего анода. Готовую конструкцию специалисты закрывают специальной оберткой, а центральная полость наполняется жидким электролитом. Плотность хранения энергии и напряжение полностью соответствует обычным литий-ионным батареям, но они более гибкие и тонкие.

Принцип действия

В основе большинства гибких аккумуляторов, которые можно встретить на сегодняшний день лежат полимерные электроды. Они наделены уникальной структурой, которая напоминает вязкую текучую жидкость. В результате этого такие аккумуляторы можно:

Кроме этого, основное отличие заключается в их экологической безопасности. Сейчас изобретение гибких аккумуляторных батарей еще находится на стадии производства прототипа. Однако в скором времени специалисты планируют коммерциализировать указанное изобретение. Многие батареи уже были испытаны и подтвердили, что способны выдерживать изгибы.

Также можно встретить компании, которые начали просто усовершенствовать литий-ионные батареи. Гибкие батареи от компании Panasonic используют внутреннюю структуру проводки и многослойные наружные корпусы, которые избегают перегрева или утечки электролита. Корпус аккумулятора защищает ламинированная оболочка.

Гибкие аккумуляторные батареи Panasonic

Толщина гибких батарей от Panasonic составляет всего 0.55 мм. Батарея способна держать зарядку в пределах 17.5-60 мАч. Для современных смартфонов этой мощности пока недостаточно, но уже сегодня подобные аккумуляторы можно использовать для маломощных устройств.

Применение

Над гибкими батарейками работают многие компании, среди них можно встретить таких гигантов, как Samsung, LG, Panasonic. Их разработчики стараются создавать не только гибкие аккумуляторы, но и экраны и микропроцессоры. Компания LG уже разработала телевизор, который при необходимости можно скрутить в рулон. Другие компании тоже не отстают и внедряют гибкие аккумуляторы на следующих устройствах:

1. Гаджетах в виде часов.
2. Ремешках устройств.
3. Различных моделях умной одежды.
4. Гибких шторах.
5. Телевизорах и смартфонах.

Конечно, такие устройства еще не попали в массовое производство и выполнены пока только в прототипах.

Особенности и разновидности

• Ультратонкие цинк-полимерные батареи от известной компании Imprint Energy получаемые методом промышленной трафаретной печати. В конструкции этих аккумуляторов используют особо твердый полимерный электролит, который исключает замыкание и позволяет значительно увеличить емкость и стабильность источника питания.
• Аккумуляторные батареи на основе литиевых порошков, углеродных нанотрубок. Такие аккумуляторы обладают хорошей проводимостью и стабильной мощностью.
• Батареи на основе литий-ионных аккумуляторов позволяют сгибать их в произвольном направлении.
• Аккумуляторные устройства на основе алюминий-ионных ячеек. Этот прототип объединяет в себе графитовый катод и алюминиевый анод.
• Волокнистые суперконденсаторы, состоящие из обычной бумаги или иного волокнистого материала, которые в дальнейшем покрываются составом из серебряных нанопроводников и углеродных нанотрубок. Такие батареи в дальнейшем вы можете гнуть, мять и окунать в кислотные растворы. Каждый кубический миллиметр этой батареи может сохранять до 6.3 мВт энергии.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам гибких батарей на сегодняшний день относят:

1. Низкий саморазряд.
2. Большую плотность энергии на единицу массы и объема.
3. Возможность получить гибкие формы.
4. Толщина элементов составляет от 1 мм.
5. Отсутствие эффекта памяти.
6. Незначительный перепад напряжения при разрядке.
7. Достаточно широкий диапазон рабочих температур.

К недостаткам многие специалисты относят:

1. Старение. Под воздействием заряда и изменения температур литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы снижают свою емкость.
2. Нужны дополнительные исследования.
3. Для коммерческого использования потребуются дополнительные вложения.

Перспективы

Благодаря гибким аккумуляторным батареям у многих ученых появится возможность изобретать что-то новое и интересное. Такие батареи в обязательном порядке должны появиться в смартфонах, планшетах и других компьютерных устройствах.

Как видите, гибкие аккумуляторные батареи станут основной для многих современных устройств. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Источник