Kiedy myślisz o baterii, rozciągliwość prawdopodobnie nie jest pierwszą rzeczą, która przychodzi Ci na myśl. Jednak ta zdolność będzie kluczowa do integracji w elastyczną elektronikę, która staje się coraz bardziej popularna w noszonych urządzeniach zdrowotnych. Badacze z ACS Energy Letters przedstawili litowo-jonową baterię z w pełni rozciągliwymi komponentami, w tym warstwą elektrolitu, która może się rozszerzać o niesamowite 5000%, zachowując przy tym pojemność magazynowania energii nawet po prawie 70 cyklach ładowania i rozładowania.

Elektronika, która może się zginać i rozciągać, wymaga baterii o podobnych cechach. Większość naukowców, którzy próbowali stworzyć takie baterie, używała tkanin o właściwościach przewodzących lub sztywnych komponentów zgiętych w rozciągliwe kształty, podobne do origami. Jednak aby bateria była naprawdę rozciągliwa, każda część - od elektrod, które zbierają ładunek, po środkową warstwę elektrolitu, która balansuje ładunek - musi być elastyczna. Dotychczasowe prototypy baterii o umiarkowanej elastyczności miały skomplikowane procesy montażu lub ograniczoną pojemność magazynowania energii, zwłaszcza podczas długotrwałego użytkowania z powtarzającymi się cyklami ładowania i rozładowania. Może to być spowodowane słabym połączeniem między warstwą elektrolitu a elektrodami lub niestabilnością płynnego elektrolitu, który może się przemieszczać, gdy bateria zmienia kształt. Zamiast używać płynnego elektrolitu, Wen-Yong Lai i jego współpracownicy postanowili osadzić elektrolit w warstwie polimerowej umieszczonej między dwoma elastycznymi warstwami filmu elektrody, tworząc w ten sposób w pełni stałą, rozciągliwą baterię.

Aby wykonać elektrody do w pełni elastycznej baterii, zespół rozprowadził cienką warstwę przewodzącej pasty zawierającej nanodruty srebra, sadzę i materiały katodowe lub anodowe na bazie litu na płytce. Następnie nałożyli warstwę polidimetylosiloksanu, elastycznego materiału często używanego w soczewkach kontaktowych, na pastę. Bezpośrednio na wierzchu tego filmu badacze dodali sól litową, wysoce przewodzącą ciecz i składniki do stworzenia rozciągliwego polimeru. Pod wpływem światła te składniki utworzyły solidną, gumowatą warstwę zdolną do rozciągania się do 5000% swojej pierwotnej długości i przenoszenia jonów litu. Na końcu na warstwę nałożono jeszcze jeden film elektrody, a całe urządzenie zostało uszczelnione warstwą ochronną.

Porównując projekt stałej rozciągliwej baterii z podobnym urządzeniem wykorzystującym tradycyjny płynny elektrolit, nowa wersja wykazała około sześciokrotnie większą średnią pojemność ładowania podczas szybkiego ładowania. Podobnie, stała bateria utrzymała bardziej stabilną pojemność przez 67 cykli ładowania i rozładowania. W innych prototypach wykonanych z solidnymi elektrodami, polimerowy elektrolit utrzymał stabilną pracę przez 1000 cykli, z 1% spadkiem pojemności w pierwszych 30 cyklach, w porównaniu z 16% spadkiem dla płynnego elektrolitu. Chociaż potrzebne są jeszcze ulepszenia, ta nowa metoda tworzenia w pełni rozciągliwych, stałych baterii może być obiecującym krokiem naprzód dla noszonych lub wszczepialnych urządzeń, które zginają się i poruszają razem z ciałem.

Autorzy przyznali wsparcie finansowe od Narodowego Kluczowego Programu Badań i Rozwoju Chin; Narodowej Fundacji Nauki Chin; Fundacji Nauki Naturalnej Prowincji Jiangsu; Fundacji Kluczowego Laboratorium Elastycznej Elektroniki Prowincji Zhejiang; Programu Specjalnie Mianowanych Profesorów Jiangsu; Projektu „1311” NUPT i Fundacji Naukowej; Chińskiej Fundacji Nauki Postdoktoranckiej; Projektu Państwowego Kluczowego Laboratorium Organicznych Elektroniki i Wyświetlaczy Informacyjnych, Projekt NJUPT; oraz Fundacji Nauki Naturalnej NJUPT.

Źródło: American Chemical Society