Skærme kan nu bøje – Hvorfor ikke batterier?

Et af de mest diskuterede tiltrækningspunkter på årets Mobile World Congress var demonstrationen af Motorolas bøjbare telefonkoncept. Telefonen kunne vikles omkring håndleddet.

Selvom fuldt fleksible telefonskærme har eksisteret i et stykke tid nu, var Motorolas koncepttelefon – bøjbar – i en klasse for sig.

Den var ikke kun en fuldstørrelses fleksibel smartphone med et kamera, men den havde også en indbygget generativ AI, der kunne frembringe et farveskema, der matchede brugerens outfit inden for 10 sekunder. 

Mens bøjbare telefoner er på vej op, vil vi i dag diskutere scenariet omkring batterier. Spørgsmålet er, hvis skærme nu kan bøje, hvorfor så ikke batterier?

I en nylig udvikling har forskere i ACS Energy Letters rapporteret om et lithium-ion-batteri med fuldstændigt strækbare komponenter, inklusive et elektrolytlager, der kan udvide sig med op til 5000%.

Det gode ved batteriet er, at dets stræknings egenskaber ikke påvirker batteriets ydeevne, da det kan opretholde sin ladningskapacitet efter næsten 70 opladnings-/afladningscyklusser. 

I afsnittene nedenfor vil vi se nærmere på egenskaberne ved dette batteri. 

Bøjbare og Strækbare Batterier Til At Styrke Elektroniske Enheder Med De Samme Egenskaber

Den nuværende forskning er et gennembrud på dette område. Det skyldes, at indtil nu har bestræbelserne på at bygge bøjbare og strækbare batterier forsøgt at bruge og udnytte vævet ledende stof eller stive komponenter, der er foldet til udvidelige former, som det gøres i den japanske papirfoldningskunst origami. 

Denne teknik har dog et problem, da et virkelig formbart batteri kræver, at det er elastisk i hver af sine dele, inklusive elektroderne, der samler ladning, og de ladningsbalancerende komponenter i den midterste elektrolytlags. 

Men ingen af de prototyper, vi har set indtil nu, har fuld elasticitet. I stedet har de moderat elasticitet og medfører en kompleks samlebane, yderligere hæmmet af begrænset energilagringskapacitet, især når de bruges over længere tid med gentagen opladning og afladning.

Problemet med opladningsineffektivitet opstår fra den svage forbindelse mellem elektrolytlaget og elektroderne. Desuden kan den flydende elektrolyt vise sig at være ustabil, hvilket får den til at bevæge sig, når batteriet ændrer form. 

Teamet undersøgte disse problemer og fandt løsninger.

Innovative Løsninger til At Opnå Fuld Elasticitet

Teamet tænkte på at bruge elektrolytten i et polymerlag sammensmeltet mellem to fleksible elektrodefilm for at skabe et fuldstændigt solidt, strækbart batteri. 

For elektroder udtænkte teamet en strategi, hvor de spredte en tynd film af ledende pasta indeholdende sølvnanotråde, kulsort og lithiumbaserede katode- eller anodematerialer på en plade.

Derefter påførte de et lag polydimethylsiloxan, et fleksibelt materiale, der almindeligt bruges i kontaktlinser, på toppen af pastaen.

Endelig påførte forskerne på alt ovenpå et litiumsalt, en højt ledende væske, samt ingredienserne til at lave en strækbar polymer.

Når alle disse, stablet i flere lag, blev aktiveret af lys, samlede komponenterne sig for at danne et solidt, gummilignende lag, der kunne strække sig op til 5000% af sin oprindelige længde, mens det ingen problemer havde med at transportere lithiumioner.

Hele enheden blev forseglet med en beskyttende belægning, og stakken, som nævnt tidligere, indeholdt et ekstra lag af elektrodefilm.

Forskerne sammenlignede deres løsning med eksisterende løsninger på markedet, der har til formål at opnå det samme. Sammenligningsresultaterne var som følger: 

Sammenligning mellem det nye solide, strækbare batteridesign og enheder drevet af traditionel flydende elektrolyt

• Den nye version leverede en seks gange højere gennemsnitlig ladningskapacitet med en hurtig opladningshastighed. 
• Den nye løsning kunne opretholde øget stabilitet under drift i 67 opladnings- og afladningscyklusser.
• Polymer‑elektrolytten fungerede stabilt over 1000 cyklusser, med kapacitetstab på 1% i de første 30 cyklusser. I en flydende elektrolytløsning var faldet så højt som 16%. 

Forskerne mener, at selvom meget stadig mangler at blive opnået, er forskningen og dens resultater et stærkt bekræftende og lovende skridt fremad i skabelsen af bærbare eller implanterbare enheder, der kan bøje og bevæge sig med kroppen.

Mens forskningsinstitutioner altid fungerer som pioneragenter for enhver industri til at udvikle sig over tid, er ikke alle innovationer gennemførlige i virkelige anvendelser. Innovationer skal have et element af anvendelighed, og de skal også være egnet til adoption i en opskaleret driftsparadigme.

I 2019 udviklede et andet forskerteam fra Johns Hopkins Applied Physics Laboratory et fleksibelt lithium‑ion‑batteri, der kunne fungere under ekstreme forhold såsom skæring, nedsænkning og simuleret ballistisk påvirkning. Forskerne sikrede også, at batterierne var brandsikre. 

“Water-In-Salt” og “Water-In-Bisalt” Elektrolytter Til Fleksible Brandsikre Batterier

Forskerne gav nye indsigter gennem opdagelsen af en ny klasse af “water-in-salt” og “water-in-bisalt” elektrolytter — kaldet WiS og WiBS — som, når de indarbejdes i en polymermatrix, kan reducere vandaktivitet og øge batteriets energikapacitet og livscyklus.

Samtidig frigjorde mekanismen batterikonfigurationen fra brandfare, toksicitet og stærkt reaktive opløsningsmidler, der er til stede i dem. Resultatet var i form af et fleksibelt batteri, der var sikkert og kraftfuldt.

Ifølge Konstantinos Gerasopoulos fra APL’s Research and Exploratory Development Department, som også ledede forskningen:

“Li‑ion‑batterier er allerede en konstant tilstedeværelse i vores daglige liv, fra vores telefoner til vores biler, og at fortsætte med at forbedre deres sikkerhed er altafgørende for yderligere at fremme energilagringsteknologi.”

Når han forklarede forskningens betydning, sagde han:

“Vores seneste papir viser forbedret brugervenlighed og ydeevne af vandbaserede fleksible polymer‑Li‑ion‑batterier, som kan bygges og betjenes i åben luft.”

Mens den igangværende forskning har leveret mange gennembrud, har nogle virksomheder også været konsekvente i fremstillingen af fleksible batterier til elektroniske produkter.

#1. Samsung

For mere end fire år siden viste et patent, der blev tilføjet til World Intellectual Property Office (WIPO)-databasen, at Samsung havde udviklet et foldbart batteri til at drive telefoner af samme type. Det patenterede batteri var designet med lag, der tillod en af dets celler at forbinde til en anden via en fleksibel samling. Denne fleksible forbindelse krydsede enhedens hængsel, hvilket eliminerede behovet for to separate solide batterier. 

Patenterne, ifølge rapporter, vedrørte fremstilling af batterier, der kunne passe ind i virksomhedens Galaxy Fold-serie. Succes med batteriløsningen betød, at virksomheden ikke behøvede at bekymre sig om at fremstille to separate konventionelle komponenter. I stedet kunne en celle flyde ind i den næste gennem enhedens hængsel takket være dens centrale forbindelsesstrimmel.

Patenten hævdede, at hængslet bestod af “basismateriale”, “blandingslag” og “isolationsseparatorer”. Ifølge eksperter tillod mekanismen, at de aktive ladningsbærende lag i cellerne interagerede, mens de kunne forsyne telefonen gennem et samlet beskyttelseskredsløbsmodul (PCM) og forbinde til dens hovedkort.

Samsung Galaxy Z Fold 6 er allerede på markedet, hvilket antyder, at Samsungs foldbare batteriteknologi har været succesfuld. Telefonen leveres med en stor 7,6‑tommer OLED-skærm og kan understøtte kontinuerlig websurfing over 5G (i dette tilfælde T‑Mobile), med skærmen indstillet til 150 nits lysstyrke.

Ifølge en anmeldelse af enheden gennemsnittede den 10 timer og 35 minutter på fire tests, hvilket slog køretiden for Google Pixel Fold (10:21) men lå bag OnePlus Open (11:31). 

Mens han gav sin mening om batterikapaciteten i Fold-serien, havde anmelderen – kort sagt – følgende at sige:

“I daglig brug fandt jeg, at Z Fold 6 leverede en temmelig stærk batterilevetid. Ved blandet brug falder batteriindikatoren typisk til 20%‑25% omkring kl. 20, hvilket er, når jeg alligevel griber efter en oplader. Men jeg ville helt sikkert ønske mere udholdenhed på de dage, hvor jeg rejser eller blot konstant bruger Slack.”

Alt i alt kan Samsungs satsning på foldbare, fleksible eller bøjbare telefonbatterier retfærdigt kaldes en succes, med muligheder for forbedring som altid.

Finansielt set rapporterede Samsung Electronics for nylig sine finansielle resultater for første kvartal 2024, hvilket viser betydelig vækst på tværs af forskellige segmenter. Virksomheden opnåede en samlet omsætning på 71,92 billioner KRW (52,08 milliarder $), hvilket svarer til en stigning på 13% sammenlignet med samme periode sidste år. Driftsresultatet steg med 933% til 6,61 billioner KRW (4,78 milliarder $), primært drevet af stærkt salg i deres hukommelseschip- og smartphone‑divisioner. Smartphone‑divisionen leverede imponerende resultater, hvor Galaxy S24‑serien bidrog væsentligt til omsætning og driftsresultat.

#2. Jenax

En anden virksomhed, der har udført banebrydende arbejde inden for batteriers bøjelighed eller strækbarhed, er Jenax. Et af deres mest innovative flagskibsprodukter er J.Flex, Jenax’s innovative, fleksible, solid‑state, hurtigopladende, genopladelige lithium‑ion‑batteri.

Virksomheden hævder, at deres produkt kan bøje sig fuldstændigt og bevæge sig med enheden uden at gå på kompromis med strømmen. Med hensyn til anvendelse henvender batteriet sig til et bredt felt, herunder IT‑wearables, sundheds‑ og fitness‑wearables, mode og militæret. 

J.Flex‑batterierne kan bøjes eller rulles for at øge fleksibiliteten i næste generations enheder. Selv med konstant dynamisk bøjning kan de yde samme effektivitet og kapacitet som det ubøjede grundniveau. 

J.Flex understøtter tilpasning, da en designer nu uden tøven kan tænke på at skabe nye former og størrelser — som tidligere ikke var tilgængelige — uden at gå på kompromis med ydeevnen. Batteriet overholder også internationale standarder for at sikre sikkerhed i alle anvendelser.

Klik her for en liste over de bedste batteriaktier at investere i.

Bøj det som et batteri: Fremtidige tendenser inden for batteribøjelighed. 

Mængden af forskning, der foregår inden for dette område, gør området lovende for vækst. Virksomheder bliver i stigende grad innovative med deres elektroniske gadgetdesigns. De forestiller sig nye æstetikker, hvilket skaber efterspørgsel efter bøjelighed, strækbarhed og fleksibilitet i batterier, som til sidst vil drive deres gadgets. 

Mens vi allerede har set på to sådanne forskningsstudier, der viderefører faklen, vil vi afslutte dagens diskussion ved at se på en anden, der kan være fuld af anvendelser i de kommende dage. Et forskerteam fra University of Houston designede og udviklede en prototype af et fuldstændigt strækbart stofbaseret lithium‑ion‑batteri.

Forskerne brugte ledende sølvstof som platform og strømindsamler, hvilket viste sig at være et gennembrud.

Mens han forklarede, hvad forskningen havde opnået, og hvad dens betydning var, sagde Haleh Ardebili, Bill D. Cook professor i maskinteknik ved UH, som var ansvarlig for at drive forskningen:

“Det virkede som et naturligt næste skridt at skabe og integrere strækbare batterier med strækbare enheder og tøj. Forestil dig at folde, bøje eller strække din laptop eller telefon i lommen eller bruge interaktive sensorer indlejret i vores tøj, som overvåger vores helbred.”

Forskningen har ikke kun potentiale til at åbne nye grænser for brugen af batterier i vores daglige liv, men den rettede også en grundlæggende ulempe, der indtil da eksisterede: problemet med stivhed. Ligesom Johns Hopkins‑forskningen fra 2019 omdannede UH‑forskerne stive lithium‑ion‑batterielektroder til solide polymer‑elektrolytter, der er bærbare, stofbaserede, fleksible og strækbare elektroder.

Ifølge Ardebili:

“Batterielektroden skal tillade bevægelse af både elektroner og ioner.”

Dette krav kunne effektivt opfyldes ved brug af vævet sølvstof, da det kan deformere eller strække mekanisk og stadig give “elektriske ledningsveje, der er nødvendige for, at batterielektroden fungerer godt.”

Mens batteriteknologien stadig var i sin tidlige testfase, kunne forskerne let forestille sig dens anvendelighed i smarte rumdragter, forbrugerelektronik indlejret i beklædning, der overvåger folks helbred, og enheder, der interagerer med mennesker på forskellige niveauer. Dog, ligesom alle opfindelser, var denne også afhængig af at skalere fremstillingen, håndtere omkostningsstrukturen og lignende faktorer.

I de kommende dage vil vi se flere innovationer i vores smartphones. Et andet voksende område er bærbar teknologi rettet mod sundhed og fitness. Mode og tilbehør vil også indarbejde elektroniske elementer.

Alt dette vil resultere i øget efterspørgsel efter strækbare batterier. Forskerne vil se en stigende adoption af deres teknologi på tværs af industrier. Dog må man ikke glemme aspekterne sikkerhed, levetid og ydeevne ved fremstilling af dem. 

Klik her for at lære, hvordan avanceret nanofotonik vil hjælpe os med at bygge bedre smartphones.