Schermen Kunnen Nu Buigen – Waarom Niet Batterijen?

Een van de meest besproken trekpleisters op dit jaar Mobile World Congress was de demonstratie van Motorola’s bendable phone concept. De telefoon kon om iemands pols gewikkeld worden.

Hoewel volledig flexibele telefoonschermen al geruime tijd bestaan, was Motorola’s concepttelefoon – buigbaar – een klasse apart.

Het was niet alleen een volledig formaat flexibele smartphone met een camera, maar hij had ook een ingebouwde generatieve AI die binnen 10 seconden een kleurenpalet kon creëren dat bij de outfit van de drager paste. 

Terwijl buigbare telefoons in opkomst zijn, zullen we vandaag het scenario rond batterijen bespreken. De vraag is: als schermen nu kunnen buigen, waarom dan niet batterijen?

In een recente ontwikkeling hebben onderzoekers in ACS Energy Letters een lithium‑ionbatterij gerapporteerd met volledig rekbare componenten, inclusief een elektrolytelaag die tot wel 5000 % kan uitzetten.

Het goede aan de batterij is dat de rekbaarheidseigenschappen geen nadelige invloed hebben op de prestaties van de batterij, omdat hij zijn opslagcapaciteit kan behouden na bijna 70 laad‑/ontlaadcycli. 

In de onderstaande secties zullen we de eigenschappen van deze batterij in meer detail bekijken. 

Buigbare en Rekbare Batterijen om Elektronische Apparaten met dezelfde Eigenschappen te Bekrachtigen

Het huidige onderzoek is een doorbraak in dit gebied. Tot nu toe hebben pogingen om buigbare en rekbare batterijen te bouwen geprobeerd geweven geleidend textiel of stijve componenten te gebruiken die in uitklapbare vormen worden gevouwen, zoals in de Japanse papiervouwkunst origami. 

Echter heeft deze techniek een probleem, aangezien een echt buigbare batterij elastisch moet zijn in elk onderdeel, inclusief de elektroden die lading verzamelen en de ladingsbalancerende componenten in de middelste elektrolytelaag. 

Maar geen van de prototypes die we tot nu toe hebben gezien, biedt volledige elasticiteit. In plaats daarvan hebben ze een matige elasticiteit en vereisen ze een complex assemblageproces, verder belemmerd door een beperkte energieopslagcapaciteit, vooral bij langdurig gebruik met herhaaldelijk laden en ontladen.

Het probleem van oplaadinefficiëntie ontstaat door de zwakke verbinding tussen de elektrolytelaag en de elektroden. Bovendien kan de vloeibare elektrolyt onstabiel blijken, waardoor deze zich verplaatst wanneer de batterij van vorm verandert. 

Het team onderzocht deze problemen en werkte oplossingen uit.

Innovatieve Oplossingen om Volledige Elasticiteit te Bereiken

Het team dacht eraan om de elektrolyt te gebruiken in een polymeerl laag samengevoegd tussen twee flexibele elektrode‑films om een volledig vaste, rekbare batterij te creëren. 

Voor de elektroden bedacht het team een strategie waarbij een dunne film geleidende pasta met zilveren nanodraden, koolstofzwart en lithium‑gebaseerde kathode‑ of anodematerialen op een plaat werd aangebracht.

Vervolgens brachten ze een laag polydimethylsiloxaan, een flexibel materiaal dat vaak in contactlenzen wordt gebruikt, aan op de bovenkant van de pasta.

Ten slotte, bovenop alles, voegden de onderzoekers een lithiumzout, een zeer geleidend vloeistof, en de ingrediënten toe om een rekbare polymeer te maken.

Wanneer al deze, in meerdere lagen gestapelde, componenten door licht werden geactiveerd, vormden ze samen een vaste, rubberachtige laag die tot 5000 % van de oorspronkelijke lengte kon uitrekken, zonder problemen bij het transport van lithiumionen.

Het volledige apparaat werd afgedicht met een beschermende coating, en de stapel, zoals eerder vermeld, bevatte een extra laag elektrode‑film.

De onderzoekers vergeleken hun oplossing met bestaande oplossingen op de markt die hetzelfde doel nastreven. De vergelijkingsresultaten waren als volgt: 

Vergelijking tussen het Nieuwe Solide, Rekbare Batterijontwerp en Apparaten die worden Aangedreven door Traditionele Vloeibare Elektrolyt

• De nieuwe versie bood een zes keer hogere gemiddelde laadcapaciteit met een snelle oplaadsnelheid. 
• De nieuwe oplossing kon een verhoogde stabiliteit behouden tijdens 67 laad‑ en ontlaadcycli.
• De polymeer‑elektrolyt functioneerde stabiel gedurende 1000 cycli, waarbij de capaciteit in de eerste 30 cycli met 1 % daalde. In een vloeibare elektrolytoplossing was de daling tot 16 %.

De onderzoekers geloven dat, hoewel er nog veel te bereiken valt, het onderzoek en de resultaten een zeer positief en veelbelovend stap vooruit zijn in het creëren van draagbare of implanteerbare apparaten die met het lichaam meebuigen en bewegen.

Hoewel onderzoeksinstellingen altijd fungeren als pioniers voor elke industrie om zich in de loop van de tijd te ontwikkelen, blijken niet alle innovaties haalbaar voor praktische toepassingen. Innovaties moeten een element van toepasbaarheid hebben, en ze moeten ook bevorderlijk zijn voor adoptie in een opgeschaalde operationele paradigma.

In 2019 ontwikkelde een ander onderzoeksteam van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory een flexibele lithium‑ionbatterij die kon functioneren onder extreme omstandigheden zoals snijden, onderdompeling en gesimuleerde ballistische impact. De onderzoekers zorgden er ook voor dat de batterijen niet brandbaar waren. 

“Water-In-Salt” en “Water-In-Bisalt” Elektrolyten voor Flexibele Niet‑Brandbare Batterijen

De onderzoekers boden nieuwe inzichten door de ontdekking van een nieuwe klasse van “water-in-salt” en “water-in-bisalt” elektrolyten — aangeduid als WiS en WiBS — die, wanneer geïntegreerd in een polymeer matrix, de wateractiviteit kunnen verminderen en de energiecapaciteit en levensduur van de batterij kunnen verhogen.

Tegelijkertijd bevrijdde het mechanisme de batterijopstelling van brandbaarheid, toxiciteit en sterk reactieve oplosmiddelen die erin aanwezig waren. Het resultaat was in de vorm van een flexibele batterij die veilig en krachtig was. 

Volgens Konstantinos Gerasopoulos van de Research and Exploratory Development Department van APL, die ook het onderzoek leidde:

“Li‑ionbatterijen zijn al een constante aanwezigheid in ons dagelijks leven, van onze telefoons tot onze auto’s, en het blijven verbeteren van hun veiligheid is van het grootste belang om de energieteknologietechnologie verder te ontwikkelen.”

Ter verduidelijking van het belang van het onderzoek, zei hij:

“Ons recente artikel toont verbeterde bruikbaarheid en prestaties van water‑gebaseerde flexibele polymeer Li‑ionbatterijen die in open lucht kunnen worden gebouwd en bediend.”

Hoewel het lopende onderzoek vele doorbraken bood, hebben sommige bedrijven ook consequent flexibele batterijen voor elektronische producten vervaardigd. 

#1. Samsung

Meer dan vier jaar geleden toonde een patent dat aan de World Intellectual Property Office (WIPO) database was toegevoegd, dat Samsung een opvouwbare batterij had ontwikkeld om telefoons van dezelfde aard van stroom te voorzien. De gepatenteerde batterij was ontworpen met lagen die één van de cellen in staat stelden zich via een flexibele verbinding met een andere te verbinden. Deze flexibele verbinding doorkruiste het scharniergedeelte van het apparaat, waardoor twee afzonderlijke vaste batterijen overbodig werden. 

Het patent, volgens rapporten, betrof de productie van batterijen die in de Galaxy Fold‑series. Het succes van de batterijoplossing betekende dat het bedrijf zich geen zorgen hoefde te maken over het vervaardigen van twee afzonderlijke conventionele componenten. In plaats daarvan kon één cel via het scharnier van het apparaat in de volgende vloeien dankzij de centrale verbindingsstrip.

Het patent stelde dat het scharnier bestond uit “basis materiaal”, “menglagen” en “isolatie scheiders”. Volgens experts stelde het mechanisme de actieve ladingsdragende lagen in de cellen in staat om met elkaar te interageren, terwijl ze de telefoon konden voeden via een uniform beschermingscircuitmodule (PCM) en verbinding konden maken met het hoofdboard.

De Samsung Galaxy Z Fold 6 is al op de markt, wat impliceert dat Samsung’s opvouwbare batterijtechnologie succesvol is geweest. De telefoon heeft een enorme 7,6‑inch OLED‑display en kan continu websurfen via 5G (in dit geval, T‑Mobile), met een schermhelderheid van 150 nits. 

Volgens een beoordeling van het apparaat gemiddeldte het 10 uur en 35 minuten over vier tests, waarmee het de looptijd van de Google Pixel Fold (10:21) overtrof, maar achterbleef bij de OnePlus Open (11:31). 

Terwijl hij zijn mening gaf over de batterijcapaciteit van de Fold‑serie, had de recensent – samengevat – het volgende te zeggen:

“In dagelijks gebruik vond ik de Z Fold 6 een redelijk sterke batterijduur leveren. Bij gemengd gebruik daalt de batterijlindicator meestal tot 20 % tot 25 % rond 20.00 uur, wat het moment is waarop ik toch een oplader pak. Maar ik zou zeker meer uithoudingsvermogen willen op die dagen dat ik reis of constant Slack gebruik.”

Al met al kan Samsung’s avontuur in opvouwbare, flexibele of buigbare telefoonbatterijen redelijkerwijs als een succes worden beschouwd, met altijd kansen voor verbetering.

Financieel gezien rapporteerde Samsung Electronics onlangs zijn financiële resultaten voor het eerste kwartaal van 2024, met een aanzienlijke groei in verschillende segmenten. Het bedrijf behaalde een geconsolideerde omzet van KRW 71,92 biljoen ($52,08 miljard), een stijging van 13 % ten opzichte van dezelfde periode vorig jaar. De operationele winst steeg met 933 % tot KRW 6,61 biljoen ($4,78 miljard), voornamelijk gedreven door sterke verkopen in de geheugen‑chip‑ en smartphone‑divisies. De smartphone‑divisie leverde indrukwekkende resultaten, waarbij de Galaxy S24‑serie aanzienlijk bijdroeg aan de omzet en operationele winst.

#2. Jenax

Een ander bedrijf dat baanbrekend werk verricht op het gebied van buigbaarheid of rekbaarheid van batterijen is Jenax. Een van zijn meest innovatieve vlaggenschipproducten is J.Flex, Jenax’s innovatieve, flexibele, solid‑state, snel‑oplaadbare, oplaadbare lithium‑ionbatterij.

Het bedrijf beweert dat het product volledig kan buigen en meebewegen met het apparaat zonder in te leveren op vermogen. Wat de toepassing betreft, bedient de batterij een breed scala, waaronder IT‑wearables, gezondheids‑ en fitness‑wearables, mode en het leger. 

De J.Flex‑batterijen kunnen gebogen of gerold worden om de flexibiliteit van volgende‑generatie apparaten te vergroten. Zelfs bij constante dynamische buiging presteren ze met dezelfde efficiëntie en capaciteit als het niet‑buigende referentieniveau. 

J.Flex ondersteunt maatwerk, zodat een ontwerper nu zonder aarzeling nieuwe vormen en maten kan bedenken – die voorheen niet beschikbaar waren – zonder concessies te doen aan de prestaties. De batterij voldoet ook aan internationale normen om veiligheid voor alle toepassingen te waarborgen.

Klik hier voor een lijst van top batterij‑aandelen om in te investeren.

Buig het als een Batterij: Toekomstige Trends in Batterijbuigbaarheid. 

De hoeveelheid onderzoek die momenteel in dit domein wordt uitgevoerd, maakt het gebied veelbelovend voor groei. Bedrijven worden steeds innovatiever met hun ontwerpen van elektronische apparaten. Ze stellen zich nieuwe esthetiek voor, waardoor er vraag ontstaat naar buig‑, rek‑ en flexibiliteitseigenschappen in batterijen die uiteindelijk hun apparaten van stroom zullen voorzien. 

Hoewel we al twee dergelijke onderzoeken hebben bekeken die de fakkel verder dragen, zullen we de discussie van vandaag afsluiten door naar een ander onderzoek te kijken dat vol kan zitten met toepassingen in de komende dagen. Een team van onderzoekers van de University of Houston ontwierp en ontwikkelde een prototype van een volledig rekbare, op stof gebaseerde lithium‑ionbatterij.

De onderzoekers gebruikten geleidend zilveren stof als platform en stroomcollector, wat een doorbraak bleek te zijn. Terwijl hij uitlegde wat het onderzoek had bereikt en wat de betekenis ervan was, zei Haleh Ardebili, Bill D. Cook professor in werktuigbouwkunde aan de UH, die verantwoordelijk was voor het onderzoek:

“Het leek een natuurlijke volgende stap om rekbare batterijen te creëren en te integreren met rekbare apparaten en kleding. Stel je voor dat je je laptop of telefoon in je zak vouwt, buigt of uitrekt, of interactieve sensoren in onze kleding gebruikt die onze gezondheid monitoren.”

Het onderzoek heeft niet alleen het potentieel om nieuwe grenzen te openen in het gebruik van batterijen in ons dagelijks leven, maar corrigeerde ook een fundamenteel nadeel dat tot dan bestond: het probleem van stijfheid. Net als het Johns Hopkins‑onderzoek uit 2019, hebben de UH‑onderzoekers rigide lithium‑ionbatterij‑elektroden omgevormd tot draagbare, op stof gebaseerde, flexibele en rekbare elektroden met een vaste polymeer‑elektrolyt.

Volgens Ardebili:

“De batterij‑elektrode moet zowel de beweging van elektronen als ionen mogelijk maken.”

Deze eis kan efficiënt worden vervuld met het gebruik van geweven zilveren stof, omdat deze mechanisch kan vervormen of uitrekken en toch de “elektrische geleidingspaden die nodig zijn voor een goed functionerende batterij‑elektrode” kan bieden.

Hoewel de batterijtechnologie zich nog in een vroeg teststadium bevond, konden de onderzoekers zich goed voorstellen dat deze toepasbaar zou zijn in slimme ruimtepakken, consumentenelektronica geïntegreerd in kleding die de gezondheid van mensen monitoren, en apparaten die op verschillende niveaus met mensen interageren. Echter, net als alle uitvindingen, hing de levensvatbaarheid van deze ook af van opschaling van de productie, beheer van de kostenstructuur en soortgelijke factoren.

In de komende dagen zullen we meer innovaties zien in onze smartphones. Een ander groeiend gebied is draagbare technologie gericht op gezondheid en fitness. Mode en accessoires zullen ook elektronische elementen integreren.

Al dit zal leiden tot een toenemende vraag naar rekbare batterijen. De onderzoekers zullen een groeiende adoptie van hun technologie in verschillende sectoren zien. Echter, men mag de aspecten van veiligheid, levensduur en prestaties bij de productie ervan niet vergeten. 

Klik hier om te leren hoe geavanceerde nanofotonica ons zal helpen betere smartphones te bouwen.