Гибкий аккумулятор. Прорыв на 5000%.

Изображения растягивающихся электродов LTO: (а, б) ‒ светодиод не излучает свет до тех пор, пока растягивающий электрод не будет подключён к источнику питания; (с) ‒ вследствие высокой электронной проводимости, электрод может зажечь светодиод в начальном (d) и 100% деформированном (e) состоянии. Источник.

Когда нам нужно заменить батарейку, мы вряд ли имеем в виду эластичное устройство. Тем не менее при работе с гибкой электроникой, возможность аккумуляторов изменять свою форму пришлась бы весьма кстати. Учёные давно занимаются этим вопросом, и сегодня гибкие аккумуляторы и батареи представляют собой те самые инновации, за которые мы любим науку и инженерию.

Нетрудно представить, каковы преимущества этих устройств по сравнению с привычными жёсткими аналогами ‒ эластичность и упругость делают их превосходными решениями для носимой и другой деформируемой электроники. В первую очередь, конечно, это позволит их встраивать в одежду и медицинские датчики, однако сюда стоит также отнести и обычные для нас портативные гаджеты вроде смарт-часов, наушников, гарнитур и прочих устройств.

Важно отметить, что сравнительно малый вес не столь сильно, как может показаться, сказывается на снижении энергоёмкости таких элементов питания. Благодаря новым технологиям производства, на одном заряде гибкие аккумуляторы могут работать несколько дольше своих предшественников.

И всё же в этой сфере остаётся много пробелов, которые до сих пор не позволяли нам наблюдать массовое внедрение разработок. Сложность реализации общей идеи решалась конструктивными подходами, использующими движимые части, поскольку ключевые для целевой функции компоненты состояли из твёрдого вещества, в то время как для электроники, подверженной многопрофильным деформациям (то есть одновременного сгибания, скручивания и растяжения), лучше подошли бы батареи с такими же свойствами.

Большинство попыток создать такие батареи сводились к использованию основания из токопроводящей ткани или раскладывающихся наподобие оригами конструкций из жёстких компонентов. Однако в прототипах по-настоящему пластичных аккумуляторов, где должна быть эластичной каждая деталь ‒ от собирающих заряд электродов до балансирующего его электролита, ‒ до сих пор не решены некоторые важные аспекты. То, что свойственная им эластичность оставляет желать лучшего, преграда не столь уж важная, поскольку скажется лишь на некотором сужении областей применения таких изделий. А вот довольно сложный процесс изготовления и, особенно, ёмкостные ограничения ‒ уже куда более весомые аргументы, чтобы поискать решения получше. Всё-таки от количества накопленной энергии и стабильности этого показателя в процессе эксплуатации зависит целесообразность использования такой батарейки.

И вот, похоже, исследователи из ACS Energy Letters продвинулись в этих изысканиях; да так, что их разработка действительно может сделать новый поворот в технологии. Они сумели создать литий-ионный аккумулятор с полностью растяжимыми компонентами.

Литий-ионный аккумулятор с полностью растягивающимися компонентами и стабильной ёмкостью зарядки и разрядки с течением времени. Источник.

Предположив, что падение ёмкости аккумуляторов по мере их использования может быть связано со слабым соединением между слоем электролита и электродами и/или нестабильностью жидкого электролита, вызванной изменением формы батареи, учёные решили зафиксировать этот самый электролит в полимерном слое. Будучи сплавленным между двумя гибкими электродными плёнками, этот электролит содержащий полимер стал той самой искомой конструкцией. Прочной, эластичной и производительной одновременно.

Кстати, об эффективности: новая батарея может не только расширяться в 50 раз, но ещё и сохранятьпри этом свою ёмкость для хранения заряда даже после почти 70 циклов зарядки/разряда.

Да, этого всё ещё недостаточно, но это уже кое-что. И причём кое-что основательное.

Однако, как говорится, не электролитом единым, и в электродах тоже есть на что полюбоваться. Чтобы их изготовить, команда нанесла на пластину тонкую плёнку проводящей пасты, содержащую серебряные нанопроволоки, технический углерод и катодные или анодные материалы на основе лития. Затем поверх этой смеси лёг слой полидиметилсилоксана ‒ гибкого материала, который, к сожалению, хорошо знаком многим людям по контактным линзам. И вот уже непосредственно на эту «благодатную» слоёную почву исследователи поместили соль лития, жидкость с высокой проводимостью и ингредиенты для получения эластичного полимера.

При активации светом это изящное решение образует прочный и гибкий резиновый слой, способный транспортировать ионы лития и растягиваться до 5000% от своей первоначальной длины. Под конец, изделие покрыли ещё одной электродной плёнкой, за которой последовал финишный защитный слой.

Сравнивая конструкцию своего твёрдо-эластичного аккумулятора с аналогичным устройством с традиционным жидким электролитом, учёные отмечают шестикратное превосходство новой версии по части средней ёмкости заряда при высокой скорости зарядки. При этом разработка сохраняла более стабильную ёмкость в течение 67 циклов зарядки и разрядки, в то время как в других прототипах (с твёрдыми электродами) этот полимерный электролит продемонстрировал аж 1000 циклов стабильной работы. И это при том, что ёмкость в этом случае за первые 30 циклов снижалась всего на 1% против 16% для жидкого электролита.

Конечно, ещё предстоит внести усовершенствования, но представленный командой способ создания полностью эластичных твёрдых батарей может стать тем самым шагом вперёд, которого давно ждали разработчики и производители гибких портативных устройств, способных изгибаться и двигаться вместе с телом носителя.

Области применения гибких аккумуляторов воистину обширны. Они могут быть использованы в носимых мониторах здоровья типа Холтер, биосенсорах и других медицинских устройствах. Гибкие смартфоны, дисплеи, носимые гаджеты (в том числе для тренировок) ‒ это, наверное, самое явное применение технологии. Также не стоит сбрасывать со счетов и таких монстров энергопотребления как автомобили, велосипеды, скейтборды и другие транспортные средства. Конечно, миниатюрные твёрдо-гибкие батареи не заменят полноценные большие АКБ, но некоторым узлам или функциям вашей машины могут добавить столь вожделенной автономии.

Также примером успешного использования эластичных батарей станут гибкие смарт-татуировки, которые могут использоваться для информирования или коммуникации и наноситься на кожу или вшиваться под неё (помните тонкоплёночный телефон в ладони Хаузера, главного героя из «Вспомнить всё» вариации 2012 года?) Это стало бы самой демонстративной реализацией прогресса технологии: её удобства, функциональности и привлекательности для повседневной жизни.

Но это ещё не наша история.

АРМК, по материалам Американского химического общества.