Этот прорыв в области аккумуляторов может привести к появлению носимых устройств, имплантируемых медицинских приборов и человекоподобных роботов.
Аккумулятор ведет себя примерно как воздушный шар, сохраняя свою общую форму и удерживая большое количество материала, оставаясь при этом гибким. (Изображение предоставлено Тором Балхедом)
Ученые утверждают, что они создали аккумулятор, который может растягиваться и сгибаться без потери заряда. Это открытие открывает путь для носимых технологий, интеллектуальных медицинских устройств и роботов с движениями, похожими на человеческие.
«По текстуре это немного похоже на зубную пасту», — сказал в своём заявлении старший автор Айман Рахманудин, доцент Линчёпингского университета в Швеции. «Этот материал можно, например, использовать в 3D-принтере, чтобы придать батарее любую форму. Это открывает возможности для нового типа технологий».
Традиционные аккумуляторы приходится выбирать между размером/гибкостью и мощностью. Ученые из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга решили эту проблему, используя материалы, которые могут удерживать и проводить отрицательные и положительные заряды для питания устройств независимо от их энергопотребления. Результаты были опубликованы 11 апреля в журнале Science Advances.
«Аккумуляторы — это самый крупный компонент всей электроники, — сказал Рахманудин. — Сегодня они твёрдые и довольно громоздкие. Но у мягкой и гибкой батареи нет ограничений в дизайне. Её можно интегрировать в электронику совершенно по-другому и адаптировать к потребностям пользователя».
Разделение ёмкости аккумулятора на размер аккумулятора с помощью органических материалов
Чтобы создать свою конструкцию, исследователи переосмыслили активные компоненты, соединительные части и клеммы, из которых состоит батарея. Активные компоненты катодов (положительные заряды) и анодов (отрицательные заряды) изготовлены из модифицированного лигнина — органического материала. Соединения или положительные и отрицательные клеммы батареи по-прежнему металлические, но они сделаны из нанографита и серебряных нанопроводов, которые достаточно малы, чтобы оставаться гибкими вместе с остальной частью батареи.
В результате получается батарея, которая ведёт себя примерно как воздушный шар — сохраняет общую форму и вмещает большое количество материала, оставаясь при этом гибкой, как сообщили учёные в своём исследовании.
«Исследование, проведённое в Университете Линчёпинга, демонстрирует новаторский подход к разработке аккумуляторов», — Прагати Дарапанени, старший инженер по разработке продуктов в Schaeffler Asia, сообщил Live Science в электронном письме. «Используя жидкие электроды, исследователи создали аккумулятор, который сохраняет функциональность при деформации. Это может привести к значительному прогрессу в разработке носимых и имплантируемых устройств.»
Потенциальные области применения этого открытия включают в себя инсулиновые помпы, кардиостимуляторы и слуховые аппараты, а также электронный текстиль, содержащий электронику в одежде, которая прилегает к телу пользователя, и мягкую робототехнику, которая позволяет роботам плавно сгибаться и разгибаться.
В исследовании учёные сообщили, что в основе их мягкой батареи лежат проводящие пластики (сопряжённые полимеры) и лигнин — побочный продукт производства бумаги. Батарею можно заряжать и разряжать более 500 раз, и она при этом сохранит свои характеристики. Её также можно растянуть в два раза, и она будет работать так же хорошо.
Хотя исследователи утверждают, что батарея несовершенна, поскольку её потенциал составляет 0,9 вольта, а большинство батарей заряжаются минимум при 1,5 вольтах, они ищут химические соединения, которые расширят возможности по напряжению.
«Несмотря на многообещающие результаты, жидкостные батареи должны быть проверены на предмет потенциальных рисков, чтобы убедиться, что используемые материалы нетоксичны и безопасны при длительном контакте с кожей человека», — написал Дарапени об исследовании.