(Phys.org) -- Collegando un nuovo flessibile, batteria agli ioni di litio a film sottile a un LED organico flessibile, un team di ricercatori della Corea del Sud ha dimostrato il primo sistema elettronico completamente flessibile completamente funzionante. In altre parole, hanno mostrato l'integrazione totale di un display flessibile e di una batteria su un singolo substrato di plastica senza l'aiuto di componenti elettronici sfusi. Il risultato si basa su un nuovo metodo di fabbricazione che consente alle batterie flessibili di funzionare con una varietà di materiali per elettrodi, superamento dei limiti degli elettrodi precedenti.

I ricercatori, dal Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) di Daejeon, Corea del Sud, hanno pubblicato il loro studio sulla nuova batteria pieghevole agli ioni di litio in un recente numero di Nano lettere .

Sebbene siano già state sviluppate diverse altre batterie agli ioni di litio flessibili, nessuno ha raggiunto prestazioni sufficienti nella stabilità operativa per essere applicato a prodotti commerciali, come display arrotolabili e altri dispositivi elettronici di consumo flessibili. Il motivo è che gli elettrodi per queste batterie possono essere realizzati solo con pochi materiali a causa di difficoltà di fabbricazione, e questi materiali non hanno prestazioni molto buone. Come spiega il coautore Keon Jae Lee di KAIST, un tipo di materiale catodico ideale sarebbe un ossido di metallo di transizione di litio, sebbene questo sia uno dei materiali che attualmente non possono essere incorporati nelle batterie pieghevoli agli ioni di litio.

“Gli ossidi di metalli di transizione di litio utilizzati come elettrodo catodico devono essere trattati ad alta temperatura (ad es. circa 700 °C per l'ossido di litio cobalto) per la cristallinità, "Lei ha detto Phys.org . "Però, non è possibile termotrattare il materiale attivo su substrati flessibili come i materiali polimerici”.

Per superare questo limite, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di fabbricazione che consente loro di trattare termicamente il materiale dell'elettrodo, consentendo l'uso di quasi tutti i materiali come elettrodo. Questa tecnica, chiamato il metodo di trasferimento universale, consiste nel depositare originariamente i materiali della batteria su un fragile substrato di mica, simile a quello utilizzato nella fabbricazione di batterie standard non flessibili. Quindi, usando del nastro adesivo, i ricercatori hanno rimosso il substrato di mica, strato per strato. Dopo circa 10 minuti di pelatura, i ricercatori potrebbero rimuovere l'intero substrato di mica senza danneggiare la batteria a film sottile.

Prossimo, la batteria flessibile viene trasferita su un foglio polimerico flessibile e ricoperta con un altro foglio polimerico flessibile. Il risultato è una batteria agli ioni di litio flessibile che può essere realizzata con quasi tutti i materiali degli elettrodi. Qui, i ricercatori hanno usato l'ossido di cobalto di litio come materiale del catodo, che è attualmente il catodo più utilizzato nelle batterie agli ioni di litio non flessibili grazie alle sue elevate prestazioni. Per l'anodo usavano il litio tradizionale.

“Abbiamo fabbricato una batteria agli ioni di litio flessibile ad alte prestazioni strutturata con film sottili inorganici ad alta densità utilizzando l'approccio di trasferimento universale, che consente la realizzazione di diverse batterie flessibili agli ioni di litio indipendentemente dalla chimica degli elettrodi, "Ha detto Lee. "Inoltre, può formare elettrodi ricotti ad alta temperatura su substrati polimerici per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni.

Nei test, i ricercatori hanno dimostrato che la nuova batteria flessibile agli ioni di litio ha la più alta tensione di carica (4,2 V) e capacità di carica (106 μAh/cm ² ) mai raggiunto per le batterie flessibili agli ioni di litio. Hanno anche dimostrato che la batteria potrebbe essere piegata con un elevato angolo di curvatura. Però, dopo 100 cicli di carica-scarica, la batteria ha perso parte della sua capacità. A seconda del grado di deformazione flessionale, ha mantenuto tra l'88,2% e il 98,4% della sua capacità originaria.

Come hanno spiegato i ricercatori, una tattica che li ha aiutati a raggiungere queste elevate prestazioni anche con un elevato angolo di curvatura è stata quella di posizionare le parti attive della batteria in uno spazio meccanicamente neutro all'interno della pellicola della batteria. Quando la pellicola della batteria è piegata, si sviluppa un contrappeso tra la deformazione di trazione sul lato esterno e la deformazione di compressione sul lato interno, che crea un piano meccanicamente neutro nel mezzo. Ulteriore, i ricercatori hanno calcolato che il punto in cui la sollecitazione di compressione cambia in sollecitazione di trazione a un certo grado di flessione può avere una stabilità ancora maggiore rispetto a un substrato fragile. Questa scoperta suggerisce che potrebbe essere possibile che le batterie agli ioni di litio flessibili abbiano una maggiore stabilità e prestazioni migliori rispetto alle batterie agli ioni di litio non flessibili.

Per fabbricare il primo sistema elettronico completamente flessibile e completamente funzionante, i ricercatori hanno collegato la batteria flessibile agli ioni di litio a un LED organico flessibile, l'ultimo dei quali è stato fabbricato su un substrato flessibile di ossido di indio e stagno. I ricercatori hanno quindi avvolto l'intero sistema con fogli polimerici flessibili per migliorare la stabilità meccanica. Hanno dimostrato che, anche quando la batteria era in posizione piegata, potrebbe ancora alimentare il LED.

Nel futuro, i ricercatori intendono migliorare le prestazioni della batteria, in particolare la sua densità energetica, oltre a lavorare sulla produzione di massa attraverso un processo di sollevamento laser in un'unica fase invece di utilizzare nastro adesivo. Notano inoltre che il nuovo metodo di trasferimento universale può essere esteso per fabbricare altri dispositivi flessibili, come i nanogeneratori a film sottile, transistor a film sottile, e dispositivi termoelettrici.

“Sono interessato alla combinazione di una fonte di energia flessibile e raccolta di energia piezoelettrica autoalimentata, chiamati nanogeneratori, "Ha detto Lee. “Ci si può aspettare che il sistema elettronico completamente flessibile e la sua espansione con i nanogeneratori cambino la nostra vita quotidiana. Anche, da utilizzare nell'elettronica di consumo, l'aumento della capacità di alimentazione è importante. Perciò, L'impilamento 3D di questa batteria a film sottile dello spessore di 10 um sarebbe un argomento interessante".

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