Эластичные источники питания.
Гибкие и растягивающиеся источники питания представляют собой ключевую технологию для реализации носимой электроники. Разработка эластичных аккумуляторов с механической прочностью, соответствующей коммерческим стандартам и обеспечивающей соответствие требованиям при сохранении безопасности, остается серьезной проблемой.
В последние годы было разработано несколько подходов для достижения соответствия батарей требованиям.
1. Первые демонстрации представляли собой гибкие батареи на основе традиционных плоских конструкций, собранные путем штабелирования компонентов батареи. Эти конструкции эволюционировали в формы, обеспечивающие разнонаправленную гибкость. Например, батареи в форме волокон или проволоки можно скручивать, связывать и вплетать в ткань, обеспечивая интеграцию с одеждой, пригодной для ношения.
2. Кроме того, было предложено несколько подходов к проектированию эластичных батарей, в частности с использованием концепций:
- киригами и оригами,
- конструкции арочной электродной архитектуры,
- обмотки волокон вокруг упругой опоры,
- внедрения активных материалов в эластичные ткани,
- встроенные нанопроволоки.
Несмотря на инновационные стратегии проектирования, нет никаких сообщений о том, что проводные батареи обладают достаточной прочностью для применения в износостойких системах, которые могут подвергаться тысячам циклов изгиба в течение всего срока службы. В случае растягивающихся батарей ни одна из систем не обеспечивает безопасность, совместимость по нескольким осям и гибкость электродных компонентов одновременно.
3. Соответствующая требованиям концепция конструкции батареи, представленная американскими учеными, учитывает вышеупомянутые ограничения существующих растягивающихся и проволочных аккумуляторных систем. Эта стратегия может быть применена к ряду композитных материалов и продемонстрирована на примере серебро-цинк (Ag-Zn), которая обладает преимуществом высокой плотности энергии в сочетании с внутренней безопасностью.
Основой этого подхода считается использование металлических токоприемников с улучшенной механической конструкцией, таких как спиральные пружины, змеевики и спирали, в качестве несущей части и основы для остальных компонентов аккумуляторной батареи. Эти конструкции справляются с нагрузками, возникающими в результате механической деформации, сводя к минимуму деформацию электродов без ущерба для их площади поверхности. В зависимости от геометрии коллектора тока, батареи могут быть изготовлены с гибкими или растягиваемыми формами для соответствия механическим свойствам носимых электронных систем при использовании одинаковых химических свойств батарей, компонентов элементов питания и этапов изготовления.
Этот подход демонстрируется посредством изготовления и электрохимическо-механической характеристики аккумуляторов с двумя формами:
- гибкой проволокой,
- растягивающейся змеевидной лентой.
Проволочные батареи обладают линейной емкостью 1,2 мА-часа см-1, устойчивы к повторяющимся динамическим механическим нагрузкам и выдерживают 17 000 циклов изгиба до радиуса изгиба 0,5 см при непрерывном режиме работы без снижения электрохимических характеристик. Хотя использование токоприемника в виде спиральной пружины обеспечивает разнонаправленную гибкость батареи, ее удлинение остается ограниченным. Поэтому для получения легко растягивающихся батарей используется токоприемник с геометрией змеевидной ленты.
Батарея на основе змеевидной ленты.
В этой структуре растяжению способствует вращение ленты змеевика вне плоскости, и батареи работают при 100% растяжении. Степень и направление растяжения могут быть изменены путем изменения геометрии змеевидной ленты. В дополнение к растяжению, батарея на основе змеевидной ленты может выполнять гибкие движения в одной плоскости. Таким образом, разнонаправленная гибкость проволочной батареи на основе спиральной пружины делает ее предпочтительной геометрией. С другой стороны, змеевидная батарея, которую можно легко растянуть по двум осям, предпочтительнее для интеграции с носимой электроникой.
Интеграция совместимых аккумуляторов с устройствами для сбора энергии имеет решающее значение для реализации автономных носимых источников питания. Поэтому важно не только проектировать батареи с соответствующими формами, но и изучать их работу на практике, чтобы понять пригодность для ношения.
Например, ювелирный дизайн источника питания в форме браслета включает в себя совместимый аккумулятор и фотоэлектрический модуль. Батарея состоит из части браслета, которая будет подвергаться сгибанию в течение всего срока службы аксессуара. Батарея с геометрией провода выбрана благодаря целенаправленной гибкости и устойчивости к сгибанию. Однако, если растяжение считается проектным соображений, то аксессуар с теми же возможностями по сбору и хранению питания может быть достигнут с помощью батареи со змеевидной структурой.
Эта стратегия основана на использовании механически прочных геометрий коллекторов тока, таких как серпентины или спиральные пружины, в качестве структурной опоры для остальных компонентов аккумуляторной батареи. Выбор геометрии коллектора тока определяет механические свойства аккумулятора. Аккумулятор, изготовленный вокруг пружинного коллектора с винтовыми пружинами, имеет форму гибкой проволоки. Удлинение проволочной батареи ограничивается механическими свойствами полимерного электролита, целлофанового слоя и электрода серебра.
Для создания устройств, которые можно легко растягивать, изготавливают батареи вокруг токоприемников со змеевидной лентой. Змеевидные батареи сохраняют электрохимические характеристики при растяжении до 100% и могут выполнять гибкие движения в одной плоскости. Кроме того, двухосное растяжение может быть реализовано с помощью самоподъёмного серпантинного токоприемника. Поэтому использование токоприемников с пружинной и змеевидной геометрией в качестве опоры для компонентов батареи представляет собой перспективный подход к изготовлению совместимых батарей с целым рядом механических свойств. Интеграция с органическим солнечным модулем в браслет износостойкой энергии и изучение характеристик такого аксессуара в условиях, имитирующих реальность, демонстрируют пригодность этих батарей для использования в жизни.
