Entwicklung von dehnbaren und druckbaren Freiform-Lithium-Ionen-Batterien
Realisierung von dehnbaren, klebenden und mechanisch verformbaren Batterien, die effektiv Ionen übertragen
Ein koreanisches Forscherteam hat eine weiche, mechanisch verformbare und dehnbare Lithiumbatterie entwickelt, die bei der Entwicklung von tragbaren Geräten eingesetzt werden kann, und die Machbarkeit der Batterie durch Drucken auf Kleidungsoberflächen untersucht. Das Forscherteam unter der Leitung von Dr. Jeong Gon Son vom Soft Hybrid Materials Research Center des Korea Institute of Science and Technology (KIST; Präsident: Seok-Jin Yoon) gab bekannt, dass es eine Lithiumbatterie entwickelt hat, bei der alle Materialien, einschließlich der Anode, der Kathode, des Stromabnehmers, der Elektrolyte und des Verkapselungsmittels, dehnbar und bedruckbar sind. Die von dem Team entwickelte Lithiumbatterie verfügt über eine hohe Kapazität und Freiform-Eigenschaften, die sich für eine mechanische Verformung eignen.
Entwicklung von dehnbaren und druckbaren Freiform-Lithium-Ionen-Batterien
Korea Institute of Science and Technology(KIST)
Aufgrund der rasant steigenden Nachfrage nach leistungsstarken tragbaren Geräten wie intelligenten Armbändern, implantierbaren elektronischen Geräten wie Herzschrittmachern und weichen tragbaren Geräten für den Einsatz im realistischen Metaverse ist die Entwicklung einer Batterie, die weich und dehnbar ist wie die menschliche Haut und die Organe, von Interesse.
Die harte anorganische Elektrode einer herkömmlichen Batterie macht den größten Teil des Volumens aus und lässt sich daher nur schwer dehnen. Andere Komponenten wie der Separator und der Stromabnehmer für die Aufnahme und Weiterleitung von Ladungen müssen ebenfalls dehnbar sein, und auch das Problem des Auslaufens des flüssigen Elektrolyten muss gelöst werden.
Um die Dehnbarkeit zu verbessern, vermied das Forschungsteam die Verwendung von Materialien, die für die Energiespeicherung unnötig sind, wie z. B. Gummi, wie dies in anderen Studien der Fall war. Dann wurde ein neues weiches und dehnbares organisches Gelmaterial entwickelt und auf der Grundlage des vorhandenen Bindematerials eingesetzt. Dieses Material hält die aktiven Elektrodenmaterialien fest an ihrem Platz und erleichtert die Übertragung von Ionen. Darüber hinaus wurde eine leitfähige Tinte aus einem Material mit hervorragender Dehnbarkeit und Gasbarriereeigenschaften hergestellt, die als Stromkollektormaterial für den Elektronentransfer und als Verkapselungsmaterial dient, das auch bei hoher Spannung und in verschiedenen Verformungszuständen stabil funktioniert, ohne durch Elektrolytaufnahme aufzuquellen.
Die vom Team entwickelte Batterie ist auch in der Lage, bestehende Lithium-Ionen-Batterie-Materialien zu verwenden, da sie eine hervorragende Energiespeicherdichte (~2,8 mWh/cm2) aufweisen, die der von handelsüblichen harten Lithium-Ionen-Batterien bei einer Betriebsspannung von 3,3 V oder höher entspricht. Alle Bestandteile der dehnbaren Lithium-Ionen-Batterie des Teams verfügen über die mechanische Stabilität, um ihre Leistung auch nach 1.000-maligem oder mehrmaligem Ziehen der Batterie beizubehalten, über eine hohe Dehnbarkeit von 50 % oder mehr und über eine langfristige Stabilität in Luft.
Darüber hinaus druckte das Forscherteam die von ihnen entwickelten Elektroden- und Stromkollektormaterialien direkt auf beide Seiten eines Armwärmers aus Spandex und trug eine dehnbare Verkapselung auf das Material auf, wodurch die Möglichkeit demonstriert wurde, eine dehnbare organische Hochspannungsbatterie direkt auf Kleidung zu drucken. Mit der so entstandenen Batterie konnte das Forschungsteam eine intelligente Uhr kontinuierlich mit Strom versorgen, auch wenn sie an- und ausgezogen oder gedehnt wurde.
Dr. Son vom KIST erklärte, dass sein Team eine dehnbare Lithium-Ionen-Batterietechnologie entwickelt hat, die sowohl strukturelle Freiheit durch die Freiformkonfiguration der Batterie, die es ermöglicht, sie auf Materialien wie Textilien zu drucken, als auch materielle Freiheit durch die Möglichkeit, bestehende Lithium-Ionen-Batteriematerialien zu verwenden, sowie Dehnungsstabilität bietet, die eine hohe Energiedichte und mechanische Verformung ermöglicht. Er erklärte auch, dass das von seinem Team entwickelte dehnbare Energiespeichersystem für die Entwicklung verschiedener tragbarer oder am Körper zu befestigender Geräte geeignet sein dürfte.
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