Используемые в коммерческих устройствах батареи на литий-ионной основе слишком жесткие и тяжелые для применения в гибкой электронике или текстильных изделиях. Новый аккумулятор имеет слоистую структуру и выполнен из эластичных материалов, что значительно расширяет сферу его применения.

Команда исследователей из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) использовала растяжимые материалы для разработки аккумулятора, который можно сгибать, растягивать и скручивать. Данный тип батареи как нельзя лучше подходит для применения в гибких электронных устройствах.

Современная электронная промышленность все больше внимания уделяет компьютерам или смартфонам с экранами, которые можно сложить или свернуть. Умные предметы одежды используют носимые микроустройства или датчики, например для мониторинга функций организма. Все подобные устройства нуждаются в источнике энергии. Обычно это литий-ионный аккумулятор – ​но такие аккумуляторы, к сожалению, слишком тяжелые и жесткие, что делает их принципиально непригодными для применения в гибкой электронике или умных предметах одежды.

Исследователи ETH Zürich разработали прототип гибкой тонкопленочной батареи (рис. 1), которую можно сгибать, растягивать и даже скручивать, не прерывая подачу энергии. Особые свойства батарее придает использованный в ней электролит.

Источник: ETH Zürich

Рисунок 1. Прототип гибкой батареи, разработанный учеными из ETH Zürich

* PDMS (polydimethylsiloxane) – полидиметилсилоксан (ПДМС), линейный полимер диметилсилоксана.

Гибкие компоненты

Так же, как и присутствующие на рынке аккумуляторы, новая батарея имеет слоистую конструкцию. Новаторством стало использование гибких компонентов, благодаря которым всю батарею можно сгибать и растягивать.

В конструкцию батареи входят два токосъемника для анода и катода из гибкого полимерного композита, содержащего электропроводящий углерод и служащего также внешней оболочкой. На внутреннюю поверхность композита исследователи нанесли тонкий слой микронизированных серебряных чешуек. Благодаря тому, что чешуйки заходят одна на другую, они не теряют контакт друг с другом даже при значительном растяжении эластичного токосъемника, что гарантирует проводимость (рис. 2). Кроме того, если даже серебряные чешуйки действительно теряют контакт друг с другом, электрический ток все еще может протекать через углеродсодержащий композит, хоть и слабее.

Источник: ETH Zürich

Рисунок 2. Эластичный материал токосъемника выдерживает значительное растяжение и скручивание

Гелевый электролит на водной основе

На последнем этапе разработки ученые разместили два токосъемника с наложенными электродами друг на друге и разделили их барьерным слоем, заполнив зазор в барьерной рамке электролитным гелем.

Подчеркивается, что этот гель экологически более безопасен, чем коммерческие электролиты. Жидкий электролит в современных батареях огнеопасен и токсичен. Гелевый электролит, напротив, содержит воду с высокой концентрацией соли лития, которая не только облегчает поток ионов лития между катодом и анодом во время зарядки или разрядки батареи, но также удерживает воду от электрохимического разложения. В ходе эксперимента исследователи соединили различные части своего прототипа при помощи клея, однако отметили, что для создания коммерческого аккумулятора необходимо найти другой способ поддерживать герметичность устройства в течение длительного времени.

Потенциал применения

С каждым днем область применения для такой батареи расширяется. Производители мобильных телефонов соперничают друг с другом в разработке устройств со складными экранами. Другие возможности использования включают в себя складные дисплеи для компьютеров, умных часов и планшетов или функциональные ткани, содержащие гибкую электронику.

A Battery That Can Be Bent, Stretched and Twisted. Printed Electronics World, September 26, 2019: https://www.printedelectronicsworld.com/articles/18284/a-battery-that-can-be-bent-stretched-and-twis...