Скоро батарейки станут умными и гибкими

Представлен растягивающийся литий-ионный аккумулятор – гибкое устройство, заряжающее электронику

Юнган Хуан из Северо-Западного университета (США) и Джон А. Роджерс из Университета Иллинойса (США) – первые ученые, которые продемонстрировали поддающийся растяжению литий-ионный аккумулятор – гибкое устройство, способное заряжать инновационную электронику.

Теперь аккумуляторы не должны быть связаны проводами с электрическими выходами, гибкие электронные устройства любого размера и формы теперь могут использоваться где угодно, включая человеческое тело как снаружи, так и изнутри. Вживляемая электроника может управлять разнообразными процессами организма – от мозговых волн до сердечной деятельности; растяжимые батареи будут незаменимы везде, где плоские, твердые батареи потерпят неудачу.

Хуан и Роджерс недавно представили свою батарею, которая продолжает питать светодиод (LED) даже когда ее растягивают, сворачивают, гнут и прикрепляют на руку человека. Батарея может работать в течение 8-9 часов, затем ей потребуется перезарядка, которую можно осуществить с помощью беспроводных технологий.

Новая батарея обеспечивает действительную интеграцию электроники и питания в маленький растягиваемый пакет. Детали изобретения опубликованы в журнале Nature Communications.

«Нам нужно было расположить большое количество компонентов аккумулятора в пределах очень небольшого пространства, затем мы соединили их с плотно прилегающими друг к другу длинными волнистыми проводами, – говорит соавтор статьи Хуан. – Эти провода обеспечивают гибкость устройства. Когда мы растягиваем батарею, сетка соединений разворачивается, как если распрямить пряжу. И таким образом мы можем растягивать устройство, не теряя его функциональных свойств».

Хуан, эксперт в области механической инженерии, курировал часть исследования, которая сосредотачивалась на теории изобретения, дизайне и моделировании.

Электричество и напряжение в растяжимой батарее работают так же, как в обычном литий-ионном аккумуляторе того же размера, но гибкая батарея может растянуться на 300% от своего первоначального размера, и это никак не повлияет на ее работу.

Команда тестировала функцию растяжения батареи на светодиоде; батарея растягивается на 300%. Скриншот из видеоролика YouTube

Роджерс, также автор статьи, возглавил группу, которая работала над экспериментальной частью и непосредственно над функцией растяжения. Он возглавляет одну из кафедр физического факультета Университета Иллинойса.

Хуан и Роджерс шесть лет работали вместе над созданием растяжимой электроники и проектировали переносное электропитание для нее – это была основная проблема. Теперь ученые решили проблему своей умной «техники заполнения пространства», которая питается такой же растягивающейся маленькой мощной батареей.

Дизайнерское решение Хуана состоит в том, чтобы использовать металлические проводные соединители, которые являются длинными волнистыми волокнами, заполняющими небольшое пространство между составными частями батареи. Энергия проходит по соединительным проводам.

В основе устройства – S-образные провода между элементами батареи. Фото с сайта scs.illinois.edu

Уникальный механизм – «пружина внутри пружины»: волокно, соединяющее компоненты, имеет форму большой «S», в пределах которой много маленьких «s». Когда батарею растягивают, сначала растягивается и исчезает большая «S», оставляя линию из маленьких загогулин. Растяжение продолжается – маленькие «s» исчезают, когда натягивается соединительный провод между электродами.

«Мы называем это упорядоченным распутыванием, – говорит Хуан. – И это – тот принцип, на котором мы построили дизайн гибкой эластичной батареи, которая растягивается на 300% от ее первоначального размера».

Процесс растяжения обратим, а батарею можно перезаряжать с помощью беспроводных технологий. Дизайн батареи учитывает интеграцию растяжимых индуктивных катушек, чтобы заряжать через внешний источник, но без необходимости в физической связи.

Хуан, Роджерс и их команда оценили, что батарея может выдержать 20 циклов перезарядки с небольшой потерей в емкости.

Профессор Роджерс уверен, что для коммерциализации разработки еще потребуются значительные улучшения и доработки, чем они и собираются заняться в ближайшее время.