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Eine dehnbare, biegsame und leistungsstärkere Smart-Watch-Batterie
Dank dehnbarer, biegbarer Batterien könnten Smartwatches bald länger laufen.
Ein Forscher demonstriert die elektrischen Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie, die sich dank Origami-Faltung dehnen und biegen lässt.
Unter Verwendung einer Form der japanischen Falttechnik Origami haben Forscher gezeigt, dass sie herkömmlich hergestellte Lithium-Ionen-Batterien so weit dehnen und biegen können, dass sie in ein Uhrenarmband passen, wo mehr Platz zum Speichern von Energie vorhanden ist. Neben der Verbesserung von Smartwatches könnte die Methode, von der die Erfinder sagen, dass sie mit Standardherstellungsprozessen kompatibel ist, Batterien herstellen, die besser für alle möglichen anderen tragbaren elektronischen Geräte geeignet sind, wie Fitnessbänder, die gesundheitsbezogene Daten verfolgen (siehe Was sind die Aussichten für flexible Biosensoren? ).
Die heutigen Smartwatch-Batterien sitzen hinter dem Bildschirm und teilen sich den kleinen Raum mit all der anderen Elektronik, die die Uhr betreibt. Die Batterie nimmt nicht nur einen großen Teil des verfügbaren Platzes ein, sondern hat auch eine relativ geringe Energiekapazität – ein Hindernis für die Entwicklung von Smartwatches, sagt er Hanqing Jiang , Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Arizona State University, der die Forschung zu biegsamen Batterien leitete. Heutige Uhren laufen nicht sehr lange: Die neue Apple Watch zum Beispiel schon sagte nur wenige Stunden dauern, wenn es aktiv zum Ausführen von Anwendungen verwendet wird. Die neue Technik könnte helfen, die Energiekapazität der Batterien zu verdoppeln, sagt Jiang.
Die Forscher nutzten ihren gefalteten Akku, um eine Samsung Smartwatch mit Strom zu versorgen, und zeigten, dass sich ein elastisches Band mit dem darin befindlichen Akku biegen und dehnen kann, ohne die Akkuleistung zu beeinträchtigen.
In den letzten zehn Jahren haben Forscher große Fortschritte bei der Entwicklung dehnbarer Elektronik gemacht, die sich ohne Fehlfunktionen an gekrümmte und dynamische Oberflächen und Formen wie die des menschlichen Körpers anpassen kann. Die meisten verwendeten jedoch elastische Materialien (siehe Eine Batterie, die sich auf das Dreifache ihrer Größe dehnt) und sind nicht direkt mit bestehenden Batterieherstellungsanlagen kompatibel.
Jiang bekam die Inspiration, Origami auf das Problem anzuwenden, als er bemerkte, dass ein bestimmtes Faltmuster, Miura-Faltung genannt, einem Muster, das er zuvor in nanoskaligem Silizium gesehen hatte, sehr ähnlich war, wodurch es sich krümmen und dehnen konnte, wenn es an der Oberfläche eines elastisches Gummimaterial (siehe Folien aus dehnbarem Silikon). Letztes Jahr, er und seine Kollegen gezeigt faltbare Lithium-Ionen-Akkus auf Basis von Miura Folding. Die praktischen Anwendungen dieses Designs sind jedoch begrenzt, da sich die Batterie nur von ihrem gefalteten Zustand in ihren ungefalteten, flachen Zustand dehnen kann und die gefaltete Form unebene Oberflächen hat, die sie für so etwas wie ein Uhrenarmband ungeeignet machen, sagt er.
Um einen kompatibleren Formfaktor zu schaffen, entschied sich die Gruppe für Kirigami, eine Variante von Origami, die neben dem Falten auch das Schneiden beinhaltet. Jiang und seine Kollegen haben jetzt gezeigt dass sie Batterien herstellen können, die sich dehnen, indem sie in der Breite entlang der verschiedenen Materialschichten schneiden, bevor sie zusammenlaminiert werden, und dann die Struktur auf vorgeschriebene Weise drehen oder falten. Die Dehnung resultiert aus der Rotation, die an den Schnitten auftritt, und das Gerät behält eine konstante Dicke bei, wenn es gedehnt wird, im Gegensatz zu den vorherigen Origami-basierten Designs.
Neben der Demonstration der Batterie in einer echten Smartwatch testeten die Forscher die kompakte und gedehnte Form, um zu bestätigen, dass sie ihre elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften nach vielen Zyklen beibehält, und sie zeigten, dass die Drehung während der Dehnung keinen Bruch der Struktur verursacht. Jiang sagt, das Ziel seiner Gruppe sei es, die Technologie zu kommerzialisieren, und sie verfeinere jetzt die Batterieverpackung, um bestimmte sicherheitsrelevante Probleme anzugehen. Er sagt auch, dass die Kirigami-Technik neben Batterien auch auf andere Arten von elektronischen Geräten wie Sensoren und Superkondensatoren anwendbar ist.