Επιστήμη υλικών
Οι Οθόνες Μπορούν Τώρα να Λυγίζουν – Γιατί Όχι Οι Μπαταρίες;
Ένα από τα πιο συζητημένα σημεία έλξης στο Mobile World Congress φέτος ήταν η επίδειξη του σχεδίου λυγιστού τηλεφώνου της Motorola. Το τηλέφωνο μπορούσε να τυλίγεται γύρω από τον καρπό κάποιου.
Παρόλο που οι πλήρως ευέλικτες οθόνες τηλεφώνων υπάρχουν εδώ και αρκετό καιρό, το τηλέφωνο-σχέδιο της Motorola – λυγιστό – ξεχώριζε.
Δεν ήταν μόνο ένα πλήρους μεγέθους ευέλικτο smartphone με κάμερα, αλλά διέθετε ενσωματωμένη γενετική AI που μπορούσε να δημιουργήσει μια χρωματική παλέτα που ταιριάζει με το ντύσιμο του χρήστη μέσα σε 10 δευτερόλεπτα.
Ενώ τα λυγιστά τηλέφωνα αυξάνονται, σήμερα θα συζητήσουμε το σενάριο που αφορά τις μπαταρίες. Η ερώτηση είναι, αν οι οθόνες μπορούν τώρα να λυγίζουν, γιατί όχι οι μπαταρίες;
Σε πρόσφατη εξέλιξη, ερευνητές στο ACS Energy Letters ανέφεραν μια μπαταρία λιθίου-ιόντων με εντελώς ελαστικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου ενός στρώματος ηλεκτρολύτη που μπορεί να επεκταθεί έως και 5000%.
Το καλό πράγμα σχετικά με τη μπαταρία είναι ότι οι ιδιότητες ελαστικότητας δεν επηρεάζουν την απόδοση, καθώς μπορεί να διατηρήσει τη χωρητικότητα αποθήκευσης φόρτισης μετά από σχεδόν 70 κύκλους φόρτισης/αποφόρτισης.
Στις παρακάτω ενότητες, θα εξετάσουμε τις ιδιότητες αυτής της μπαταρίας με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.
Λυγιστές και Ελαστικές Μπαταρίες για την Ενδυνάμωση των Ηλεκτρονικών Συσκευών με τις Ίδιες Ιδιότητες
Η τρέχουσα έρευνα αποτελεί μια πρόοδο σε αυτόν τον τομέα. Αυτό συμβαίνει επειδή, μέχρι σήμερα, οι προσπάθειες κατασκευής λυγιστών και ελαστικών μπαταριών έχουν προσπαθήσει να χρησιμοποιήσουν και να αξιοποιήσουν υφασμάτινο αγώγιμο ύφασμα ή άκαμπτα στοιχεία που διπλώνονται σε επεκτάσιμα σχήματα όπως αυτό γίνεται στην ιαπωνική τέχνη του χαρτιού origami.
Ωστόσο, αυτή η τεχνική παρουσιάζει πρόβλημα καθώς μια πραγματικά εύκαμπτη μπαταρία απαιτεί να είναι ελαστική σε κάθε μέρος της, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτροδίων που συλλέγουν το φορτίο και των στοιχείων εξισορρόπησης φόρτισης στο κεντρικό στρώμα ηλεκτρολύτη.
Αλλά κανένα από τα πρωτότυπα που έχουμε δει μέχρι τώρα δεν διαθέτει πλήρη ελαστικότητα. Αντίθετα, έχουν μέτρια ελαστικότητα και απαιτούν μια πολύπλοκη διαδικασία συναρμολόγησης, περαιτέρω περιορισμένη με περιορισμένη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας, ειδικά όταν χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα με επαναλαμβανόμενη φόρτιση και αποφόρτιση.
Το πρόβλημα της αναποτελεσματικής φόρτισης προέρχεται από τη χαμηλή σύνδεση μεταξύ του στρώματος ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων. Επίσης, ο υγρός ηλεκτρολύτης μπορεί να αποδειχθεί ασταθής, προκαλώντας την κίνηση του όταν η μπαταρία αλλάζει σχήμα.
Η ομάδα εξέτασε αυτά τα προβλήματα και βρήκε λύσεις.
Καινοτόμες Λύσεις για την Επίτευξη Πλήρους Ελαστικότητας
Η ομάδα σκέφτηκε να χρησιμοποιήσει τον ηλεκτρολύτη σε ένα πολυμερές στρώμα συγχωνευμένο μεταξύ δύο ευέλικτων ταινιών ηλεκτροδίων για τη δημιουργία μιας εντελώς στερεής, ελαστικής μπαταρίας.
Για τα ηλεκτρόδια, η ομάδα ανέπτυξε μια στρατηγική διάχυσης μιας λεπτής μεμβράνης αγώγιμου πάστας που περιέχει ασημένιες νανο-νήματα, άνθρακα μαύρο και υλικά κατάτασης ή ανόδου βασισμένα στο λίθιο, πάνω σε πλάκα.
Στη συνέχεια, εφάρμοσαν ένα στρώμα πολυδιμεθυλοσιλόξανου, ενός ευέλικτου υλικού που χρησιμοποιείται συνήθως σε φακούς επαφής, στην κορυφή της πάστας.
Τέλος, πάνω σε όλα, οι ερευνητές πρόσθεσαν ένα άλας λιθίου, ένα εξαιρετικά αγώγιμο υγρό, και τα συστατικά για την κατασκευή ενός ελαστικού πολυμερούς.
Όταν όλα αυτά, στοιβαγμένα σε πολλαπλά στρώματα, ενεργοποιήθηκαν με φως, τα συστατικά συνενώθηκαν για να σχηματίσουν ένα στερεό, λαστιχένιο στρώμα που μπορεί να τεντωθεί έως και 5000% του αρχικού του μήκους, χωρίς πρόβλημα στη μεταφορά ιόντων λιθίου.
Ολόκληρη η συσκευή σφραγίστηκε με προστατευτική επίστρωση, και η στοίβα, όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, περιελάμβανε ένα επιπλέον στρώμα ταινίας ηλεκτροδίου.
Οι ερευνητές συνέκριναν τη λύση τους με υπάρχουσες λύσεις στην αγορά που στοχεύουν στο ίδιο σκοπό. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης ήταν τα εξής:
Σύγκριση μεταξύ του Νέου Στερεού, Ελαστικού Σχεδίου Μπαταρίας με Συσκευές που Τροφοδοτούνται από Παραδοσιακό Υγρό Ηλεκτρολύτη
- Η νέα έκδοση προσέφερε έξι φορές μεγαλύτερη μέση χωρητικότητα φόρτισης με γρήγορο ρυθμό φόρτισης.
- Η νέα λύση μπορούσε να διατηρήσει αυξημένη σταθερότητα κατά τη λειτουργία σε 67 κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης.
- Ο πολυμερές ηλεκτρολύτης λειτουργούσε σταθερά σε πάνω από 1000 κύκλους, με τη χωρητικότητα να μειώνεται κατά 1% στους πρώτους 30 κύκλους. Σε λύση υγρού ηλεκτρολύτη, η πτώση ήταν έως και 16%.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ενώ παραμένει πολύ να επιτευχθεί, η έρευνα και τα αποτελέσματά της αποτελούν ένα ιδιαίτερα θετικό και υποσχόμενο βήμα προς τη δημιουργία φορητών ή εμφυτευόμενων συσκευών που λυγίζουν και κινούνται με το σώμα.
Ενώ τα ερευνητικά ιδρύματα λειτουργούν πάντα ως πρωτοπόροι παράγοντες για την εξέλιξη κάθε βιομηχανίας με την πάροδο του χρόνου, δεν αποδεικνύονται όλες οι καινοτομίες εφικτές για πραγματικές εφαρμογές. Οι καινοτομίες πρέπει να έχουν ένα στοιχείο εφαρμοσιμότητας, και επίσης πρέπει να είναι ευνοϊκές για υιοθέτηση σε κλιμακωμένο επιχειρησιακό παράδειγμα.
Το 2019, άλλη ομάδα ερευνητών από το Εφαρμοσμένο Φυσικό Εργαστήριο του Johns Hopkins ανέπτυξαν μια ευέλικτη μπαταρία λιθίου-ιόντων που μπορούσε να λειτουργήσει υπό ακραίες συνθήκες όπως κοπή, βύθιση και προσομοιωμένο βολικό αντίκτυπο. Οι ερευνητές επίσης διασφάλισαν ότι οι μπαταρίες ήταν ακαίσιμες.
Ηλεκτρολύτες «Νερό-Σε-Αλάτι» και «Νερό-Σε-Δι-Αλάτι» για Ευέλικτες Ακαίσιμες Μπαταρίες
Οι ερευνητές προσέφεραν νέες γνώσεις μέσω της ανακάλυψης μιας νέας κατηγορίας \”water-in-salt\” και \”water-in-bisalt\” ηλεκτρολύτες—που αναφέρονται ως WiS και WiBS—που, όταν ενσωματώνονται σε πολυμερές μήτρα, μπορούν να μειώσουν τη δραστηριότητα του νερού και να ενισχύσουν τις ενεργειακές δυνατότητες και τον κύκλο ζωής της μπαταρίας.
Ταυτόχρονα, ο μηχανισμός απελευθέρωσε τη διαρρύθμιση της μπαταρίας από την εύφλεκτοτητα, την τοξικότητα και τα πολύ αντιδραστικά διαλύτες που υπάρχουν σε αυτήν. Το αποτέλεσμα ήταν με τη μορφή μιας ευέλικτης μπαταρίας που ήταν ασφαλής και ισχυρή.
Σύμφωνα με τον Κωνσταντίνο Γερασόπουλο του Τμήματος Έρευνας και Εξερευνητικής Ανάπτυξης της APL, ο οποίος επίσης ηγήθηκε της έρευνας:
“Οι μπαταρίες Li-ion είναι ήδη μια σταθερή παρουσία στην καθημερινή μας ζωή, από τα τηλέφωνά μας μέχρι τα αυτοκίνητά μας, και η συνεχής βελτίωση της ασφάλειά τους είναι καθοριστική για την περαιτέρω πρόοδο της τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας.”
Εξηγώντας τη σημασία της έρευνας, είπε:
“Το πρόσφατο άρθρο μας δείχνει βελτιωμένη χρηστικότητα και απόδοση των υδατοβάσιμων ευέλικτων πολυμερικών μπαταριών Li-ion που μπορούν να κατασκευαστούν και να λειτουργήσουν σε ανοιχτό αέρα.”
Ενώ η τρέχουσα έρευνα προσέφερε πολλές προόδους, ορισμένες εταιρείες έχουν επίσης διατηρήσει τη συνέπεια στην κατασκευή ευέλικτων μπαταριών για ηλεκτρονικά αντικείμενα.
#1. Samsung
Περισσότερο από τέσσερα χρόνια πριν, μια πατέντα που προστέθηκε στη βάση δεδομένων του Παγκόσμιου Γραφείου Πνευματικής Ιδιοκτησίας (WIPO) έδειξε ότι η Samsung είχε αναπτύξει μια διπλώσιμη μπαταρία για την τροφοδοσία τηλεφώνων του ίδιου τύπου. Η πατενταρισμένη μπαταρία σχεδιάστηκε με στρώματα που επέτρεπαν σε ένα από τα κύτταρά της να συνδεθεί με ένα άλλο μέσω μιας ευέλικτης σύνδεσης. Αυτή η ευέλικτη σύνδεση διέσχιζε το τμήμα της αρθρώσεως της συσκευής, εξαλείφοντας την ανάγκη για δύο ξεχωριστές στερεές μπαταρίες.
Η πατέντα, σύμφωνα με αναφορές, αφορούσε την κατασκευή μπαταριών που θα μπορούσαν να ενταχθούν στη σειρά Galaxy Fold. Η επιτυχία της λύσης μπαταρίας σήμαινε ότι η εταιρεία δεν χρειάστηκε να ανησυχεί για την κατασκευή δύο ξεχωριστών συμβατικών εξαρτημάτων. Αντίθετα, ένα κύτταρο μπορούσε να ρέει στο επόμενο μέσω της αρθρώσεως της συσκευής χάρη στη συνδετική κεντρική λωρίδα.
Η πατέντα ισχυρίστηκε ότι η αρθρώση αποτελείται από “βασικό υλικό”, “στρώματα μίγματος” και “μονωτικούς διαχωριστές”. Σύμφωνα με ειδικούς, ο μηχανισμός επέτρεπε στα ενεργά στρώματα που μεταφέρουν το φορτίο στα κύτταρα να αλληλεπιδρούν ενώ μπορούσαν να τροφοδοτήσουν το τηλέφωνο μέσω ενός ενοποιημένου μοντέλου κυκλώματος προστασίας (PCM) και να συνδεθούν με την κύρια πλακέτα.
Το Samsung Galaxy Z Fold 6 είναι ήδη στην αγορά, υποδεικνύοντας ότι η τεχνολογία διπλώσιμων μπαταριών της Samsung ήταν επιτυχής. Το τηλέφωνο διαθέτει μια τεράστια οθόνη OLED 7,6 ιντσών και μπορεί να υποστηρίξει συνεχή περιήγηση στο διαδίκτυο μέσω 5G (σε αυτήν την περίπτωση, T-Mobile), με την οθόνη να έχει φωτεινότητα 150 νίτς.
Σύμφωνα με μια αξιολόγηση της συσκευής, η συσκευή είχε μέσο χρόνο 10 ώρες και 35 λεπτά σε τέσσερις δοκιμές, ξεπερνώντας τους χρόνους λειτουργίας του Google Pixel Fold (10:21) αλλά υστερώντας το OnePlus Open (11:31).
Καθώς έδινε τη γνώμη του για την ικανότητα μπαταρίας της σειράς Fold, ο κριτής – συνοπτικά – είχε τα εξής να πει:
“Στην καθημερινή χρήση, βρήκα ότι το Z Fold 6 προσφέρει σχετικά ισχυρή διάρκεια μπαταρίας. Με μεικτή χρήση, ο δείκτης μπαταρίας συνήθως πέφτει στο 20% έως 25% μέχρι τις 8 μ.μ., που είναι η ώρα που παίρνω το φορτιστή οπωσδήποτε. Αλλά θα ήθελα σίγουρα περισσότερη αντοχή τις ημέρες που ταξιδεύω ή χρησιμοποιώ συνεχώς το Slack.”
Συνολικά, η προσπάθεια της Samsung για διπλώσιμες, ευέλικτες ή λυγιστές μπαταρίες τηλεφώνων μπορεί να χαρακτηριστεί επιτυχής, με πιθανότητες βελτίωσης όπως πάντα.
Από οικονομική άποψη, η Samsung Electronics ανέφερε πρόσφατα τα οικονομικά της αποτελέσματα για το πρώτο τρίμηνο του 2024, παρουσιάζοντας σημαντική ανάπτυξη σε διάφορα τμήματα. Η εταιρεία πέτυχε ενοποιημένα έσοδα 71,92 τρισεκατομμύρια KRW (52,08 δισεκατομμύρια δολάρια), σημειώνοντας αύξηση 13% σε σύγκριση με την ίδια περίοδο του προηγούμενου έτους. Το λειτουργικό κέρδος αυξήθηκε κατά 933% σε 6,61 τρισεκατομμύρια KRW (4,78 δισεκατομμύρια δολάρια), κυρίως λόγω ισχυρών πωλήσεων στα τμήματα μνήμης chip και smartphone. Το τμήμα smartphone παρουσίασε εντυπωσιακά αποτελέσματα, με τη σειρά Galaxy S24 να συμβάλλει σημαντικά στα έσοδα και το λειτουργικό κέρδος.
#2. Jenax
Μια άλλη εταιρεία που κάνει πρωτοποριακή δουλειά στον χώρο της λυγισιμότητας ή ελαστικότητας των μπαταριών είναι η Jenax. Ένα από τα πιο καινοτόμα προϊόντα της είναι J.Flex, της Jenax καινοτόμο, ευέλικτο, στερεάς κατάστασης, γρήγορης φόρτισης, επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου-ιόντων.
Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι το προϊόν της μπορεί να λυγίζει πλήρως και να κινείται με τη συσκευή χωρίς να θυσιάζει την ισχύ. Όσον αφορά την εφαρμογή του, η μπαταρία εξυπηρετεί ένα ευρύ πεδίο, συμπεριλαμβανομένων των φορετών IT, φορετών υγείας και φυσικής κατάστασης, της μόδας και του στρατού.
Οι μπαταρίες J.Flex μπορούν να λυγιστούν ή να κυλιχθούν για να ενισχύσουν την ευελιξία των συσκευών επόμενης γενιάς. Ακόμη και με συνεχόμενη δυναμική κάμψη, μπορούν να λειτουργούν με την ίδια αποδοτικότητα και χωρητικότητα με το επίπεδο αναφοράς χωρίς κάμψη.
Το J.Flex υποστηρίζει την προσαρμογή, καθώς ένας σχεδιαστής μπορεί τώρα αβίαστα να σκεφτεί τη δημιουργία νέων σχήματων και μεγεθών – που δεν ήταν διαθέσιμα προηγουμένως – χωρίς να θυσιάζει την απόδοση. Η μπαταρία επίσης συμμορφώνεται με τα διεθνή πρότυπα για να εξασφαλίσει την ασφάλεια για όλες τις εφαρμογές.
Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις κορυφαίες μετοχές μπαταριών για επένδυση.
Λυγίστε το όπως μια Μπαταρία: Μελλοντικές Τάσεις στη Λυγισιμότητα των Μπαταριών.
Ο όγκος της έρευνας που διεξάγεται σε αυτόν τον τομέα καθιστά τον χώρο υποσχόμενο για ανάπτυξη. Οι εταιρείες γίνονται όλο και πιο καινοτόμες με τα σχέδια των ηλεκτρονικών τους συσκευών. Φαντάζονται νέες αισθητικές, δημιουργώντας ζήτηση για ιδιότητες λυγισιμότητας, ελαστικότητας και ευελιξίας στις μπαταρίες που τελικά θα τροφοδοτούν τις συσκευές τους.
Ενώ έχουμε ήδη εξετάσει δύο τέτοιες έρευνες που προωθούν το έργο, θα ολοκληρώσουμε τη σημερινή συζήτηση με το ότι αναλύοντας μια άλλη που θα μπορούσε να είναι γεμάτη με εφαρμογές στο μέλλον. Μια ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου του Χιούστον σχεδίασαν και ανέπτυξαν ένα πρωτότυπο πλήρως ελαστικής μπαταρίας λιθίου-ιόντων βασισμένης σε ύφασμα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αγώγιμο ασημένιο ύφασμα ως πλατφόρμα και συλλέκτη ρεύματος, το οποίο αποδείχθηκε μια επανάσταση. Εξηγώντας τι είχε επιτύχει η έρευνα και ποια ήταν η σημασία της, η Haleh Ardebili, καθηγήτρια Μηχανολογίας στο UH, υπεύθυνη για την προώθηση της έρευνας, είπε:
“Φαινόταν το επόμενο φυσικό βήμα να δημιουργήσουμε και να ενσωματώσουμε ελαστικές μπαταρίες με ελαστικές συσκευές και ρούχα. Φανταστείτε να διπλώνετε, λυγίζετε ή τεντώνετε το laptop ή το τηλέφωνό σας στην τσέπη ή να χρησιμοποιείτε διαδραστικούς αισθητήρες ενσωματωμένους στα ρούχα μας που παρακολουθούν την υγεία μας.”
Δεν μόνο η έρευνα έχει τη δυνατότητα να ανοίξει νέους ορίζοντες στη χρήση μπαταριών στην καθημερινή μας ζωή, αλλά διόρθωσε επίσης ένα θεμελιώδες μειονέκτημα που υπήρχε μέχρι τότε: το πρόβλημα της ακαμψίας. Παρόμοια με την έρευνα του Johns Hopkins το 2019, οι ερευνητές του UH μεταμόρφωσαν τα άκαμπτα ηλεκτρόδια μπαταριών λιθίου-ιόντων σε στερεά πολυμερικά ηλεκτρολύτη φορητά, βασισμένα σε ύφασμα, ευέλικτα και ελαστικά ηλεκτρόδια.
Σύμφωνα με την Ardebili:
“Το ηλεκτρόδιο της μπαταρίας πρέπει να επιτρέπει τη κίνηση τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των ιόντων.”
Αυτή η απαίτηση θα μπορούσε να καλυφθεί αποδοτικά με τη χρήση υφασμένου ασημένιου υφάσματος, καθώς μπορεί να παραμορφωθεί μηχανικά ή να τεντωθεί και να παρέχει ακόμη “διαδρομές ηλεκτρικής αγωγιμότητας που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του ηλεκτροδίου της μπαταρίας”.
Ενώ η τεχνολογία μπαταρίας ήταν ακόμη σε πρώιμο στάδιο δοκιμών, οι ερευνητές μπορούσαν να φανταστούν την εφαρμογή της σε έξυπνα διαστημικά κοστούμια, καταναλωτικά ηλεκτρονικά ενσωματωμένα σε ενδύματα που παρακολουθούν την υγεία των ανθρώπων, και συσκευές που αλληλεπιδρούν με τους ανθρώπους σε διάφορα επίπεδα. Ωστόσο, όπως όλα τα εφευρέματα, η βιωσιμότητα αυτού εξαρτάται επίσης από την κλιμάκωση της παραγωγικότητας, τη διαχείριση της δομής κόστους και παρόμοιους παράγοντες.
Στο μέλλον, θα δούμε περισσότερες καινοτομίες στα smartphones μας. Ένας άλλος αναπτυσσόμενος τομέας είναι η φορετή τεχνολογία που στοχεύει στην υγεία και τη φυσική κατάσταση. Η μόδα και τα αξεσουάρ θα ενσωματώσουν επίσης ηλεκτρονικά στοιχεία.
Όλα αυτά θα οδηγήσουν σε αυξημένη ζήτηση για ελαστικές μπαταρίες. Οι ερευνητές θα δουν αυξανόμενη υιοθέτηση της τεχνολογίας τους σε διάφορους κλάδους. Ωστόσο, δεν πρέπει να ξεχνάμε τις πτυχές της ασφάλειας, της διάρκειας ζωής και της απόδοσης κατά την κατασκευή τους.
