Näytöt voivat nyt taipua – Miksi eivät akut?

Yksi tämän vuoden Mobile World Congressin eniten keskustelua herättäneistä houkuttelevista kohteista oli demonstraatio Motorolan taivutettava puhelinkonsepti. Puhelin saattoi kietoutua käyttäjän ranteeseen.

Vaikka täysin joustavat puhelinnäytöt ovat olleet olemassa jo jonkin aikaa, Motorolan konseptipuhelin – taivutettava – erottui edukseen.

Se ei ollut pelkästään täysikokoinen joustava älypuhelin, jossa oli kamera, vaan siinä oli myös sisäänrakennettu generatiivinen tekoäly, joka pystyi luomaan värimaailman vastaamaan käyttäjän asua 10 sekunnissa. 

Kun taivutettavat puhelimet yleistyvät, tänään tarkastelemme akkujen tilannetta. Kysymys kuuluu: jos näytöt voivat nyt taipua, miksi eivät akut?

Viimeaikaisessa kehityksessä ACS Energy Letters -lehdessä tutkijat ovat raportoineet litiumioniakusta, jossa on täysin venytettävät komponentit, mukaan lukien elektrolyyttikerros, joka voi laajentua jopa 5000 %.

Hyvä asia akussa on se, että sen venyvyysominaisuudet eivät vaikuta akun suorituskykyyn, sillä se pystyy ylläpitämään varauskapasiteettiaan lähes 70 lataus-/purkusyklin jälkeen. 

Alla olevissa osioissa tarkastelemme tämän akun ominaisuuksia tarkemmin. 

Taivutettavat ja venytettävät akut, jotka antavat sähköisille laitteille samat ominaisuudet

Nykyinen tutkimus on läpimurto tällä alalla. Tämä johtuu siitä, että tähän mennessä taivutettavien ja venytettävien akkujen rakentamisyritykset ovat pyrkineet käyttämään kudottua johtavaa kangasta tai jäykkiä komponentteja, jotka on taitettu laajennettaviin muotoihin, kuten japanilaisessa origamissa. 

Kuitenkin tällä tekniikalla on ongelma, sillä todella muovautuva akku vaatii jokaisen osansa olevan elastinen, mukaan lukien varauksen keräävät elektrodit ja keskellä oleva elektrolyyttikerroksen varauksen tasapainottavat komponentit.

Mutta mikään tähän mennessä nähdystä prototyypistä ei tarjoa täysimittaista joustavuutta. Sen sijaan niissä on vain kohtuullinen joustavuus ja ne vaativat monimutkaisen kokoamisprosessin, mikä rajoittaa energian varastointikapasiteettia, erityisesti pitkän käyttöajan ja toistuvien lataus- ja purkusyklien aikana.

Lataustehokkuuden ongelma johtuu heikosta yhteydestä elektrolyyttikerroksen ja elektrodien välillä. Lisäksi nestemäinen elektrolyytti voi olla epävakaa, mikä saa sen liikkumaan akun muuttuessa. 

Tiimi tutki näitä ongelmia ja kehitti ratkaisuja.

Innovatiivisia ratkaisuja täyden joustavuuden saavuttamiseksi

Tiimi ajatteli käyttää elektrolyyttiä polymerikerroksessa sidon sen kahden joustavan elektrodikalvon väliin täysin kiinteän, venytettävän akun luomiseksi. 

Elektrodeille tiimi kehitti strategian levittämällä ohut kerros johtavaa tahnaa, joka sisälsi hopean nanokuituja, hiilen mustaa ja litiumpohjaisia katodi- tai anodimateriaaleja, levylle.

Seuraavaksi he levittivät polydimetylisilosaanikerroksen, joustavan materiaalin, jota käytetään yleisesti piilolinsseissä, tahnan päälle.

Lopuksi kaiken päälle tutkijat lisäsivät litiumsuolan, erittäin johtavan nesteen ja ainesosia venytettävän polymerin valmistamiseksi.

Kun kaikki nämä useassa kerroksessa pinottuina aktivoitiin valolla, komponentit yhdistyivät muodostaen kiinteän, kumimaisen kerroksen, joka pystyi venymään jopa 5000 % alkuperäisestä pituudestaan ilman ongelmia litiumionien kuljettamisessa.

Koko laite tiivistettiin suojapinnoitteella, ja pinno, kuten aiemmin mainittiin, sisälsi lisäkerroksen elektrodikalvoa.

Tutkijat vertasivat ratkaisuaan markkinoilla oleviin olemassa oleviin ratkaisuihin, jotka pyrkivät saavuttamaan saman tavoitteen. Vertailun tulokset olivat seuraavat: 

Uuden kiinteän, venytettävän akkun suunnittelun vertailu perinteisellä nestemäisellä elektrolyytillä toimiviin laitteisiin

• Uusi versio tarjosi kuusinkertaisesti suuremman keskimääräisen varauskapasiteetin nopealla latausnopeudella. 
• Uusi ratkaisu pystyi säilyttämään lisääntyneen vakauden toiminnassa 67 lataus- ja purkusyklin aikana.
• Polymeerielektrolyytti toimi tasaisesti yli 1000 sykliä, kapasiteetin pudotessa 1 % ensimmäisten 30 syklin aikana. Nestemäisessä elektrolyyttiratkaisussa pudotus oli jopa 16 %.

Tutkijat uskovat, että vaikka paljon on vielä saavutettavaa, tutkimus ja sen tulokset ovat vahva ja lupaava askel kohti kantavien tai implantoitavien laitteiden luomista, jotka joustavat ja liikkuvat kehon mukana.

Vaikka tutkimuslaitokset toimivat aina edelläkävijöinä teollisuuden kehittyessä, kaikki innovaatiot eivät ole toteuttamiskelpoisia todellisessa käytössä. Innovaatioilla on oltava sovellettavuus, ja niiden on myös oltava suotuisia laajamittaisessa käyttöönotossa.

Vuonna 2019 toinen tutkijaryhmä Johns Hopkins Applied Physics Laboratory -laitokselta kehitti joustavan litiumioniakun, joka pystyi toimimaan äärimmäisissä olosuhteissa, kuten leikkaamisessa, upottamisessa ja simuloidussa ballistinen iskussa. Tutkijat varmistivat myös, että akut olivat palamattomia. 

“Water-In-Salt” ja “Water-In-Bisalt” -elektrolyytit joustaviin palamattomiin akkuun

Tutkijat tarjosivat uusia näkemyksiä löytämällä uuden luokan “water-in-salt”- ja “water-in-bisalt”-elektrolyyttejä – WiS- ja WiBS-tyyppisiä – jotka polymerimatriisiin sisällytettynä voivat vähentää veden aktiivisuutta ja parantaa akun energiatehoa sekä elinkaarta.

Samanaikaisesti mekanismi vapautti akun rakenteen palamattomuudesta, myrkyllisyydestä ja niissä olevista erittäin reaktiivisista liuottimista. Tuloksena syntyi joustava akku, joka oli turvallinen ja tehokas.

Li-ioniakut ovat jo vakituinen läsnäolo jokapäiväisessä elämässämme, puhelimista autoihin, ja niiden turvallisuuden parantaminen on ensiarvoisen tärkeää energian varastointiteknologian edistämiseksi.

Selittäessään tutkimuksen merkitystä hän sanoi:

Viimeaikainen julkaisumme osoittaa parantuneen käytettävyyden ja suorituskyvyn vesipohjaisissa joustavissa polymeri‑Li‑ioniakuissa, jotka voidaan rakentaa ja käyttää avoimessa ilmassa.

Vaikka käynnissä oleva tutkimus on tuonut monia läpimurtoja, jotkut yritykset ovat myös olleet johdonmukaisia joustavien akkujen valmistamisessa sähköisiin laitteisiin. 

#1. Samsung

Yli neljä vuotta sitten WIPO:n (World Intellectual Property Office) tietokantaan lisätty patentti osoitti, että Samsung oli kehittänyt taittuvan akun, joka virtasi samanlaisia puhelimia. Patentoidun akun suunnittelussa käytettiin kerroksia, jotka sallivat yhden solun yhdistymisen toiseen joustavan liitoksen kautta. Tämä joustava yhteys kulki laitteen saranoiden läpi, poistaen tarpeen kahdelle erilliselle kiinteälle akulle. 

Patentin, raporttien mukaan, koski akkujen valmistamista, jotka sopivat yrityksen Galaxy Fold -sarjaan.

Akun ratkaisun menestys tarkoitti, että yrityksen ei tarvinnut huolehtia kahden erillisen perinteisen komponentin valmistamisesta. Sen sijaan yksi solu saattoi siirtyä seuraavaan laitteen saranoiden kautta kiitos keskimmäisen yhdistävän nauhan.

Patentti väitti, että sarana koostui “perusmateriaalista”, “sekoituskerroksista” ja “eristyskerroksista”. Asiantuntijoiden mukaan mekanismi mahdollisti solujen aktiivisten varauskerrosten vuorovaikutuksen, kun ne virtasivat puhelinta yhtenäisen suojauspiirikorttimoduulin (PCM) kautta ja kytkeytyivät sen pääkorttiin.

Samsung Galaxy Z Fold 6 on jo markkinoilla, mikä viittaa siihen, että Samsungin taittuvan akkuteknologian on menestynyt. Puhelimessa on valtava 7,6 tuuman OLED-näyttö, ja se tukee jatkuvaa verkkoselausta 5G-verkossa (tässä tapauksessa T-Mobile), näytön kirkkaus on asetettu 150 nitiksi.

Laitteen arvostelun mukaan se keskimäärin kesti 10 tuntia ja 35 minuuttia neljän testin aikana, ohittaen Google Pixel Foldin (10:21) mutta jääden OnePlus Openin (11:31) jälkeen. 

Päivittäisessä käytössä huomasin Z Fold 6:n tarjoavan melko vahvan akunkeston. Sekoitetussa käytössä akun indikaattori laskee tyypillisesti 20–25 % tasolle klo 20.00, jolloin haen lataajaa silti. Mutta toivoisin ehdottomasti pidempää käyttöaikaa niinä päivinä, kun matkustan tai käytän jatkuvasti Slackia.

“In daily use, I found the Z Fold 6 to deliver fairly strong battery life. With mixed usage, the battery indicator typically drops to the 20% to 25% range by 8 p.m., which is when I reach for a charger anyway. But I would certainly wish for more staying power on those days where I’m traveling or just constantly using Slack.”

Kaiken kaikkiaan Samsungin panostus taittuviin, joustaviin tai taivutettaviin puhelinkykyihin voidaan oikeudenmukaisesti kutsua menestykseksi, ja parannusmahdollisuuksia on aina.

Taloudellisesti katsottuna Samsung Electronics raportoi äskettäin vuoden 2024 ensimmäisen neljänneksen taloustuloksensa, jotka osoittivat merkittävää kasvua eri segmenteissä. Yritys saavutti konsolidoidun liikevaihdon 71,92 biljoonaa KRW (52,08 miljardia dollaria), mikä merkitsi 13 % kasvua edellisvuoden vastaavaan ajanjaksoon verrattuna. Liiketoiminnan tulos nousi 933 %:iin 6,61 biljoonaa KRW (4,78 miljardia dollaria), pääosin muistipiirien ja älypuhelinsegmentin vahvojen myyntien ansiosta. Älypuhelinsegmentti tuotti vaikuttavia tuloksia, ja Galaxy S24 -sarja vaikutti merkittävästi liikevaihtoon ja liiketulokseen.

#2. Jenax

Toinen yritys, joka on tehnyt edelläkävijätyötä akkujen taivutettavuuden tai venytettävyyden alalla, on Jenax. Sen yksi innovatiivisimmista lippulaivatuotteista on J.Flex, Jenaxin innovatiivinen, joustava, kiinteän tilan, nopean latauksen, ladattava litiumioniakku.

Yritys väittää, että sen tuote voi täysin taivuttaa ja liikkua laitteen mukana ilman tehon heikkenemistä. Sovelluksiltaan akku palvelee laajaa kenttää, mukaan lukien IT-päivitettävät laitteet, terveys- ja kuntoilulaitteet, muoti ja sotilas.

J.Flex-akut voidaan taivuttaa tai rullata parantamaan seuraavan sukupolven laitteiden joustavuutta. Vaikka dynaaminen taivutus jatkuisi, ne toimivat samalla tehokkuudella ja kapasiteetilla kuin ei-taivutettu perusmalli.

J.Flex tukee räätälöintiä, sillä suunnittelija voi nyt ilman epäröintiä luoda uusia muotoja ja kokoja – jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia – ilman suorituskyvyn heikkenemistä. Akku täyttää myös kansainväliset standardit varmistaakseen turvallisuuden kaikissa sovelluksissa.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista akkuosakkeista sijoitettavaksi.

Taivuta sitä kuin akkua: Tulevaisuuden trendit akkujen taivutettavuudessa. 

Tällä alalla käynnissä olevan tutkimuksen määrä tekee siitä lupaavan kasvualustan. Yritykset ovat yhä innovatiivisempia sähköisten laitteidensa suunnittelussa. Ne kuvittelevat uusia estetiikkoja, luoden kysyntää akkujen taivutettavuudelle, venytettävyydelle ja joustavuudelle, jotka lopulta virvoittavat niiden laitteita. 

Vaikka olemme jo tarkastelleet kahta tällaista tutkimusta, jotka vievät lippua eteenpäin, päätämme tämän päivän keskustelun tarkastelemalla toista, joka voi olla täynnä sovelluksia tulevina päivinä. University of Houstonin tutkijaryhmä suunnitteli ja kehitti prototyypin täysin venytettävästä kangaspohjaisesta litiumioniakusta.

Tutkijat käyttivät johtavaa hopeakangasta alustana ja virtankeräimenä, mikä osoittautui läpimurrokseksi. Selittäessään, mitä tutkimus oli saavuttanut ja mikä sen merkitys oli, Haleh Ardebili, Bill D. Cook -professori koneinsinöörinä UH:ssa, joka johti tutkimusta, sanoi:

“It seemed a natural next step to create and integrate stretchable batteries with stretchable devices and clothing. Imagine folding, bending, or stretching your laptop or phone in your pocket or using interactive sensors embedded in our clothes that monitor our health.”

Tutkimus ei ainoastaan tarjoa mahdollisuutta avata uusia rajoja akkujen käytössä jokapäiväisessä elämässämme, vaan se korjasi myös perustavanlaisen heikkouden, joka tähän asti oli olemassa: jäykkyyden ongelma.

Aivan kuten Johns Hopkinsin vuoden 2019 tutkimus, UH:n tutkijat muuntivat jäykät litiumioniakkujen elektrodit kiinteiksi polymerielektrolyytti‑kannettaviksi, kangaspohjaisiksi, joustaviksi ja venytettäviksi elektrodeiksi.

Ardebilin mukaan:

“The battery electrode must allow movement of both electrons and ions.”

Tämä vaatimus voidaan täyttää tehokkaasti käyttämällä kudottua hopeakangasta, sillä se voi mekaanisesti muokkautua tai venyä ja silti tarjota “sähköjohtavuuspolut, jotka ovat tarpeen akun elektrodit toimimaan hyvin.” 

Vaikka akkuteknologia oli vielä varhaisessa testausvaiheessa, tutkijat pystyivät hyvin kuvittelemaan sen soveltuvuuden älykkäisiin avaruuspukuihin, kuluttajaelektroniikkaan, joka on upotettu vaatteisiin ja seuraa ihmisten terveyttä, sekä laitteisiin, jotka vuorovaikuttavat ihmisten kanssa eri tasoilla. 

Kuitenkin, kuten kaikki keksinnöt, myös tämän toteutettavuus riippui tuotannon skaalaamisesta, kustannusrakenteen hallinnasta ja vastaavista tekijöistä.

Tulevina päivinä näemme lisää innovaatioita älypuhelimissamme. Toinen kasvava alue on terveyteen ja kuntoiluun kohdistuva kannettava tekniikka. Muoti ja asusteet sisällyttävät myös elektronisia elementtejä.

Kaikki nämä johtavat kasvaneeseen kysyntään venytettäville akuille. Tutkijat näkevät teknologiansa yleistymisen eri toimialoilla. Kuitenkin on muistettava turvallisuuden, pitkäikäisyyden ja suorituskyvyn näkökohdat niiden valmistuksessa. 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten kehittynyt nanofotonikka auttaa meitä rakentamaan parempia älypuhelimia.