Skjermer kan nå bøyes – Hvorfor ikke batterier?

En av de mest diskuterte attraksjonspunktene på årets Mobile World Congress var demonstrasjonen av Motorola sitt bøybare telefonkonsept. Telefonen kunne pakkes rundt håndleddet.

Selv om helt fleksible telefonskjermer har eksistert en god stund nå, var Motorolas konsepttelefon – bøybar – i en egen klasse.

Den var ikke bare en fullstørrelse fleksibel smarttelefon med kamera, men den hadde også en innebygd generativ AI som kunne lage et fargeschema som matchet brukerens antrekk på 10 sekunder. 

Mens bøybare telefoner blir stadig mer vanlige, skal vi i dag diskutere scenarioet med batterier. Spørsmålet er: hvis skjermer nå kan bøyes, hvorfor ikke batterier?

I en nylig utvikling har forskere i ACS Energy Letters rapportert om et litium‑ion‑batteri med helt strekkbare komponenter, inkludert et elektrolyttlag som kan utvide seg med opptil 5000 %.

Det positive med batteriet er at detes strekkbare egenskaper ikke påvirker batteriets ytelse, da det kan opprettholde sin ladningskapasitet etter nesten 70 lade‑/utladningssykluser. 

I segmentene nedenfor vil vi se nærmere på egenskapene til dette batteriet. 

Bøybare og strekkbare batterier for å styrke elektroniske enheter med samme egenskaper

Den nåværende forskningen har kommet som et gjennombrudd på dette området. Dette skyldes at innsatsen så langt for å bygge bøybare og strekkbare batterier har forsøkt å bruke vevd ledende stoff eller stive komponenter som er brettet inn i utvidbare former, slik det gjøres i den japanske papirbrettkunsten origami. 

Imidlertid har denne teknikken et problem, da et virkelig formbart batteri krever at det er elastisk i hver av sine deler, inkludert elektrodene som samler ladning og ladningsbalanserende komponenter i det midterste elektrolyttlaget. 

Men ingen av prototypene vi har sett så langt har fullstendig elastisitet. I stedet har de moderat elastisitet og krever en kompleks monteringsprosess, ytterligere hemmet av begrenset energilagringskapasitet, spesielt ved langvarig bruk med gjentatte lade‑ og utladesykluser.

Problemet med ladeineffektivitet oppstår fra den svake forbindelsen mellom elektrolyttlaget og elektrodene. I tillegg kan den flytende elektrolytten vise seg å være ustabil, noe som får den til å bevege seg når batteriet endrer form. 

Teamet undersøkte disse problemene og fant løsninger.

Innovative løsninger for å oppnå full elastisitet

Teamet tenkte på å bruke elektrolytten i et polymerlag sveist mellom to fleksible elektrodefilmer for å lage et helt solid, strekkbart batteri. 

For elektrodene utviklet teamet en strategi med å påføre et tynt lag av ledende pasta som inneholder sølvnanotråder, karbon svart og litium‑baserte katode‑ eller anodematerialer på en plate.

Deretter påførte de et lag av polydimetylsiloksan, et fleksibelt materiale som ofte brukes i kontaktlinser, på toppen av pastaen.

Til slutt, på toppen av alt, påførte forskerne et litiumsalt, en høyt ledende væske, og ingrediensene for å lage en strekkbar polymer.

Når alle disse, stablet i flere lag, ble aktivert av lys, samlet komponentene seg til et solid, gummilignende lag som kunne strekkes opptil 5000 % av sin opprinnelige lengde uten problemer med transport av litiumioner.

Hele enheten ble forseglet med et beskyttende belegg, og stabelen, som nevnt tidligere, inkluderte et ekstra lag med elektrodefilm.

Forskerne sammenlignet løsningen sin med eksisterende løsninger på markedet som har samme mål. Sammenligningsresultatene var som følger: 

Sammenligning mellom den nye solide, strekkbare batteridesignen og enheter drevet av tradisjonell flytende elektrolytt

• Den nye versjonen ga en seks ganger høyere gjennomsnittlig ladningskapasitet med en rask ladehastighet. 
• Den nye løsningen kunne opprettholde økt stabilitet under 67 lade‑ og utladesykluser.
• Polymer‑elektrolytten fungerte jevnt over 1000 sykluser, med kapasiteten som falt med 1 % i de første 30 syklusene. I en flytende elektrolyttløsning var fallet så høyt som 16 %.

Forskerne mener at selv om mye fortsatt gjenstår, er forskningen og resultatene et sterkt positivt og lovende skritt fremover i å lage bærbare eller implanterbare enheter som bøyer seg og beveger seg med kroppen.

Mens forskningsinstitusjoner alltid fungerer som pioneragenter for at enhver industri skal utvikle seg over tid, er ikke alle innovasjoner gjennomførbare i virkelige anvendelser. Innovasjoner må ha et element av anvendelighet, og de må også være egnet for adopsjon i en oppskalert operasjonell paradigme.

I 2019 utviklet et annet forskerteam fra Johns Hopkins Applied Physics Laboratory et fleksibelt litium‑ion‑batteri som kunne operere under ekstreme forhold som kutting, nedsenking og simulert ballistisk påvirkning. Forskerne sikret også at batteriene var brannfaste. 

“Water‑In‑Salt” og “Water‑In‑Bisalt” elektrolytter for fleksible brannfaste batterier

Forskerne ga nye innsikter gjennom oppdagelsen av en ny klasse av “water‑in‑salt” og “water‑in‑bisalt” elektrolytter – referert til som WiS og WiBS – som, når de inkorporeres i en polymermatrise, kan redusere vannaktiviteten og øke batteriets energikapasitet og levetid.

Samtidig frigjorde mekanismen batterikonfigurasjonen fra brennbarhet, toksisitet og svært reaktive løsningsmidler som finnes i dem. Resultatet var i form av et fleksibelt batteri som var trygt og kraftig.

“Li‑ion‑batterier er allerede en konstant tilstedeværelse i vårt daglige liv, fra telefonene våre til bilene våre, og å fortsette å forbedre deres sikkerhet er avgjørende for å videreutvikle energilagringsteknologi.”

“Li‑ion‑batterier er allerede en konstant tilstedeværelse i vårt daglige liv, fra telefonene våre til bilene våre, og å fortsette å forbedre deres sikkerhet er avgjørende for å videreutvikle energilagringsteknologi.”

“Vår nylige artikkel viser forbedret brukervennlighet og ytelse for vannbaserte fleksible polymer‑Li‑ion‑batterier som kan bygges og brukes i åpent rom.”

“Vår nylige artikkel viser forbedret brukervennlighet og ytelse for vannbaserte fleksible polymer‑Li‑ion‑batterier som kan bygges og brukes i åpent rom.”

Mens den pågående forskningen har gitt mange gjennombrudd, har noen selskaper også vært konsekvente i å produsere fleksible batterier for elektroniske produkter.

#1. Samsung

For mer enn fire år siden viste et patent lagt til World Intellectual Property Office (WIPO)-databasen at Samsung hadde utviklet et foldbart batteri for å drive telefoner av samme type. Det patenterte batteriet var designet med lag som tillot en av cellene å kobles til en annen via en fleksibel forbindelse. Denne fleksible forbindelsen krysset hengseldelen av enheten, og eliminerte behovet for to separate solide batterier. 

Patenten, ifølge rapporter, gjaldt produksjon av batterier som kunne passe inn i selskapets Galaxy Fold‑serie. Suksessen med batteriløsningen betydde at selskapet ikke trengte å bekymre seg for å produsere to separate konvensjonelle komponenter. I stedet kunne en celle flyte inn i den neste gjennom enhetens hengsel takket være den sentrale forbindelsesstripen.

Patenten hevdet at hengselen var sammensatt av “grunnmateriale”, “blandingslag” og “isolerende separatorer”. Ifølge eksperter tillot mekanismen at de aktive ladningsbærende lagene i cellene kunne samhandle mens de kunne drive telefonen gjennom en samlet beskyttelseskretsmodul (PCM) og koble til hovedkortet.

Samsung Galaxy Z Fold 6 er allerede på markedet, noe som antyder at Samsungs foldbare batteriteknologi har vært vellykket. Telefonen har en stor 7,6‑tommers OLED-skjerm og kan støtte kontinuerlig nettsurfing over 5G (i dette tilfellet T‑Mobile), med skjermen satt til 150 nits lysstyrke.

Ifølge en anmeldelse av enheten, hadde den i gjennomsnitt 10 timer og 35 minutter over fire tester, og overgikk kjøretiden til Google Pixel Fold (10:21) men lå bak OnePlus Open (11:31). 

I daglig bruk fant jeg at Z Fold 6 leverte ganske sterk batterilevetid. Ved blandet bruk faller batteriindikatoren vanligvis til 20 %–25 % rundt kl. 20.00, som er når jeg uansett tar frem en lader. Men jeg skulle absolutt ønske mer utholdenhet på de dagene jeg er på reise eller bare bruker Slack konstant.

“I daglig bruk fant jeg at Z Fold 6 leverte ganske sterk batterilevetid. Ved blandet bruk faller batteriindikatoren vanligvis til 20 %–25 % rundt kl. 20.00, som er når jeg uansett tar frem en lader. Men jeg skulle absolutt ønske mer utholdenhet på de dagene jeg er på reise eller bare bruker Slack konstant.”

Altogether, Samsungs satsing på foldbare, fleksible eller bøybare telefonbatterier kan med rette kalles en suksess, med muligheter for forbedring som alltid.

Finansielt sett rapporterte Samsung Electronics nylig sine økonomiske resultater for første kvartal 2024, og viste betydelig vekst på tvers av ulike segmenter. Selskapet oppnådde en samlet omsetning på 71,92 billioner KRW (52,08 milliarder USD), noe som er en økning på 13 % sammenlignet med samme periode i fjor. Driftsresultatet skjøt i været med 933 % til 6,61 billioner KRW (4,78 milliarder USD), hovedsakelig drevet av sterke salg i minnebrikke‑ og smarttelefon‑divisjonene. Smarttelefon‑divisjonen leverte imponerende resultater, med Galaxy S24‑serien som bidro betydelig til inntektene og driftsresultatet.

#2. Jenax

Et annet selskap som har gjort banebrytende arbeid innen batteribøyelighet eller strekkbarhet er Jenax. Et av deres mest innovative flaggskipprodukter er J.Flex, Jenax sitt innovative, fleksible, solid‑state, hurtigladende, oppladbare litium‑ion‑batteri.

Selskapet hevder at produktet kan bøyes fullt ut og bevege seg med enheten uten å gå på kompromiss med kraften. Når det gjelder bruksområder, retter batteriet seg mot et bredt felt, inkludert IT‑wearables, helse‑ og trenings‑wearables, mote og militæret. 

J.Flex‑batteriene kan bøyes eller rulles for å øke fleksibiliteten til neste generasjons enheter. Selv med konstant dynamisk bøying kan de yte med samme effektivitet og kapasitet som den ubøyde basislinjen. 

J.Flex støtter tilpasning ettersom en designer nå kan uten tvil tenke på å lage nye former og størrelser – som tidligere ikke var tilgjengelige – uten å gå på kompromiss med ytelsen. Batteriet er også i samsvar med internasjonale standarder for å sikre sikkerhet i alle anvendelser.

Klikk her for en liste over de beste batteriaktiene å investere i.

Bøy det som et batteri: Fremtidige trender innen batteribøyelighet. 

Omfanget av forskning som pågår innen dette området gjør feltet lovende for vekst. Selskaper blir stadig mer innovative med designen av sine elektroniske enheter. De forestiller seg ny estetikk, og skaper en etterspørsel etter bøyelighet, strekkbarhet og fleksibilitet i batterier som til slutt vil drive enhetene deres. 

Mens vi allerede har sett på to slike forskningsstudier som bærer faklen videre, vil vi avslutte dagens diskusjon ved å se på en annen som kan være full av anvendelser i fremtiden. Et forskerteam ved University of Houston designet og utviklet en prototype av et fullt strekkbart stoffbasert litium‑ion‑batteri.

Forskerne brukte ledende sølvstoff som plattform og strømsamler, noe som viste seg å være et gjennombrudd. Mens de forklarte hva forskningen hadde oppnådd og hva dens betydning var, sa Haleh Ardebili, Bill D. Cook professor i maskinteknikk ved UH, som var ansvarlig for forskningen:

“Det virket som et naturlig neste steg å lage og integrere strekkbare batterier med strekkbare enheter og klær. Forestill deg å brette, bøye eller strekke din laptop eller telefon i lomma, eller bruke interaktive sensorer integrert i klærne våre som overvåker helsen vår.”

Ikke bare har forskningen potensial til å åpne nye fronter i bruken av batterier i vårt daglige liv, men den korrigerte også en grunnleggende svakhet som eksisterte frem til nå: problemet med stivhet.
På samme måte som Johns Hopkins‑forskningen fra 2019, omdannet UH‑forskerne stive litium‑ion‑batterielektroder til solide polymer‑elektrolytt‑bærbare, stoffbaserte, fleksible og strekkbare elektroder.

Ifølge Ardebili:

“Batterielektroden må tillate bevegelse av både elektroner og ioner.”

Dette kravet kunne effektivt oppfylles ved bruk av vevd sølvstoff, da det kan mekanisk deformeres eller strekkes og fortsatt gi “elektriske ledningsveier som er nødvendige for at batterielektroden skal fungere godt.”

Mens batteriteknologien fortsatt var i en tidlig testfase, kunne forskerne lett forestille seg dens anvendelse i smarte romdrakter, forbrukerelektronikk integrert i klær som overvåker folks helse, og enheter som samhandler med mennesker på ulike nivåer. Imidlertid, som alle oppfinnelser, var også denne levetiden avhengig av oppskalering av produksjonsmulighetene, håndtering av kostnadsstrukturen og lignende faktorer.

I de kommende dagene vil vi se flere innovasjoner i smarttelefonene våre. Et annet voksende område er bærbar teknologi rettet mot helse og trening. Mote og tilbehør vil også innlemme elektroniske elementer.

Alt dette vil føre til økt etterspørsel etter strekkbare batterier. Forskerne vil se økende adopsjon av teknologien sin på tvers av industrier. Imidlertid må man ikke glemme aspektene sikkerhet, levetid og ytelse når de produseres. 

Klikk her for å lære hvordan avansert nanofotonikk vil hjelpe oss med å bygge bedre smarttelefoner.