Skärmar kan nu böjas – varför inte batterier?

En av de mest diskuterade attraktionspunkterna på årets Mobile World Congress var demonstrationen av Motorola’s bendable phone concept. Telefonen kunde lindas runt handleden.

Även om helt flexibla telefonskärmar har funnits ett tag nu, var Motorolas koncepttelefon – böjbar – i en egen klass.

Den var inte bara en fullstor flexibel smartphone med kamera, utan hade även en inbyggd generativ AI som kunde skapa ett färgschema som matchade bärarens outfit inom 10 sekunder. 

Medan böjbara telefoner blir allt vanligare, kommer vi idag att diskutera scenariot med batterier. Frågan är, om skärmar nu kan böjas, varför inte batterier?

I en nyligen utveckling har forskare i ACS Energy Letters rapporterat ett litiumjonbatteri med helt stretchbara komponenter, inklusive ett elektrolytlager som kan expandera med upp till 5000 %.

Det bra med batteriet är att dess stretchbarhetsegenskaper inte påverkar batteriets prestanda, eftersom det kan behålla sin laddningskapacitet efter nästan 70 laddnings-/urladdningscykler. 

I avsnitten nedan kommer vi att titta närmare på egenskaperna hos detta batteri. 

Böjbara och stretchbara batterier för att stärka elektroniska prylar med samma egenskaper

Den aktuella forskningen har kommit som ett genombrott inom detta område. Det beror på att man hittills har försökt bygga böjbara och stretchbara batterier genom att använda vävd ledande tyg eller stela komponenter som viks till expanderbara former, som man gör i den japanska pappersvikningskonsten origami. 

Denna teknik har dock ett problem eftersom ett riktigt formbart batteri kräver att det är elastiskt i alla sina delar, inklusive elektroderna som samlar laddning och de laddningsbalanserande komponenterna i det centrala elektrolytlageret. 

Men ingen av de prototyper vi hittills har sett har fullständig elasticitet. Istället har de måttlig elasticitet och innebär en komplex monteringsprocess, ytterligare försvagad av begränsad energilagringskapacitet, särskilt vid längre användning med upprepad laddning och urladdning.

Problemet med laddningseffektivitet beror på den svaga förbindelsen mellan elektrolytlageret och elektroderna. Dessutom kan den flytande elektrolyten vara instabil, vilket får den att röra sig när batteriet ändrar form. 

Teamet undersökte dessa problem och utvecklade lösningar.

Innovativa lösningar för att uppnå full elasticitet

Teamet tänkte använda elektrolyten i ett polymerlager sammanfogat mellan två flexibla elektrodfilmer för att skapa ett helt solidt, stretchbart batteri. 

För elektroderna utvecklade teamet en strategi att sprida ett tunt lager av ledande pasta som innehåller silvernanotrådar, kolsvart och litiumbaserade katod- eller anodmaterial på en platta.

Därefter applicerade de ett lager av polydimetylsiloxan, ett flexibelt material som ofta används i kontaktlinser, ovanpå pastan.

Slutligen, ovanpå allt, applicerade forskarna ett litiumsalt, en mycket ledande vätska, samt ingredienserna för att skapa ett stretchbart polymer.

När alla dessa, staplade i flera lager, aktiverades av ljus, förenades komponenterna till ett fast, gummiliknande lager som kunde sträckas upp till 5000 % av sin ursprungliga längd utan problem att transportera litiumjoner.

Hela enheten förseglades med ett skyddande lager, och stapeln, som nämnts tidigare, inkluderade ett extra lager av elektrodfilm.

Forskarna jämförde sin lösning med befintliga lösningar på marknaden som syftar till samma mål. Jämförelsens resultat var följande: 

Jämförelse mellan den nya fasta, stretchbara batteridesignen och enheter som drivs av traditionell flytande elektrolyt

• Den nya versionen erbjöd en sex gånger högre genomsnittlig laddningskapacitet med en snabb laddningshastighet. 
• Den nya lösningen kunde behålla ökad stabilitet under 67 laddnings- och urladdningscykler.
• Polymerelektrolyten fungerade stabilt över 1000 cykler, med en kapacitetsminskning på 1 % under de första 30 cyklerna. I en lösning med flytande elektrolyt var minskningen så hög som 16 %.

Forskarna tror att även om mycket återstår att uppnås, så är forskningen och dess resultat ett starkt och lovande steg framåt i att skapa bärbara eller implanterbara enheter som böjer sig och rör sig med kroppen.

Medan forskningsinstitutioner alltid fungerar som pionjärer för att en bransch ska utvecklas med tiden, är inte alla innovationer genomförbara i verkliga tillämpningar. Innovationer måste ha en viss tillämpbarhet, och de måste också vara gynnsamma för antagande i en skalerad operativ modell.

År 2019 utvecklade ett annat forskarteam från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory ett flexibelt litiumjonbatteri som kunde fungera under extrema förhållanden såsom skärning, nedsänkning och simulerad ballistisk påverkan. Forskarna säkerställde också att batterierna var okombustibla. 

“Water-In-Salt” och “Water-In-Bisalt” elektrolyter för flexibla okombustibla batterier

Forskarna erbjöd nya insikter genom upptäckten av en ny klass av “water-in-salt” och “water-in-bisalt” elektrolyter – benämnda WiS och WiBS – som, när de införlivas i en polymermatris, kan minska vattenaktiviteten och öka batteriets energikapacitet och livscykel.

Samtidigt befriade mekanismen batteriuppsättningen från brandfarlighet, toxicitet och starkt reaktiva lösningsmedel som finns i dem. Resultatet var i form av ett flexibelt batteri som var säkert och kraftfullt.

Enligt Konstantinos Gerasopoulos från APL:s avdelning för forskning och utforskande utveckling, som också ledde forskningen:

“Li‑ion‑batterier är redan en ständig närvaro i våra dagliga liv, från våra telefoner till våra bilar, och att fortsätta förbättra deras säkerhet är avgörande för att ytterligare utveckla energilagringstekniken.”

När han förklarade forskningens betydelse sade han:

“Vår senaste artikel visar förbättrad användbarhet och prestanda för vattenbaserade flexibla polymer‑Li‑ion‑batterier som kan byggas och användas i öppen luft.”

Medan den pågående forskningen erbjöd många genombrott, har vissa företag också varit konsekventa i att tillverka flexibla batterier för elektroniska produkter. 

#1. Samsung

För mer än fyra år sedan visade ett patent som lagts till i World Intellectual Property Office (WIPO)-databasen att Samsung hade utvecklat ett vikbart batteri för att driva telefoner av samma slag. Det patenterade batteriet designades med lager som gjorde det möjligt för en av dess celler att ansluta till en annan via en flexibel förbindelse. Denna flexibla anslutning korsade enhetens gångjärnsdel, vilket eliminerade behovet av två separata solida batterier. 

Patentet, enligt rapporter, rörde tillverkning av batterier som kunde passa in i företagets Galaxy Fold-series. Framgången med batterilösningen innebar att företaget inte behövde oroa sig för att tillverka två separata konventionella komponenter. Istället kunde en cell flöda in i nästa genom enhetens gångjärn tack vare dess centrala förbindelsestrimma.

Patentet påstod att gångjärnet bestod av ”basmaterial”, ”blandningslager” och ”isolationsseparatorer”. Enligt experter möjliggjorde mekanismen att de aktiva laddningsbärande lagren i cellerna kunde interagera samtidigt som de kunde driva telefonen via en enhetlig skyddskretsmodul (PCM) och ansluta till dess huvudkort.

Samsung Galaxy Z Fold 6 finns redan på marknaden, vilket antyder att Samsungs vikbara batteriteknik har varit framgångsrik. Telefonen har en stor 7,6‑tum OLED‑skärm och kan stödja kontinuerlig webbsurfning över 5G (i detta fall T‑Mobile), med skärmen inställd på 150 nits ljusstyrka.

Enligt en recension av enheten genomsnittade den 10 timmar och 35 minuter över fyra tester, vilket slog Google Pixel Fold (10:21) men låg efter OnePlus Open (11:31). 

När han gav sin åsikt om batterikapaciteten i Fold-serien hade recensenten – kortfattat – följande att säga:

“I det dagliga bruket fann jag att Z Fold 6 levererade en ganska stark batteritid. Vid blandad användning sjunker batteriindikatorn vanligtvis till 20 %–25 % runt kl. 20.00, vilket är när jag ändå tar fram en laddare. Men jag skulle definitivt önska längre drifttid på de dagar jag reser eller bara ständigt använder Slack.”

Sammanfattningsvis kan Samsungs satsning på vikbara, flexibla eller böjbara telefonbatterier rimligtvis kallas en framgång, med möjligheter till förbättring som alltid.

Finansiellt sett rapporterade Samsung Electronics nyligen sina finansiella resultat för första kvartalet 2024, vilket visar betydande tillväxt inom olika segment. Företaget uppnådde en konsoliderad omsättning på 71,92 triljon KRW (52,08 miljarder USD), vilket innebär en ökning med 13 % jämfört med samma period föregående år. Rörelseresultatet sköt i höjden med 933 % till 6,61 triljon KRW (4,78 miljarder USD), drivet främst av stark försäljning inom minneschip- och smartphone‑divisionerna. Smartphone‑divisionen levererade imponerande resultat, där Galaxy S24‑serien bidrog avsevärt till omsättning och rörelseresultat.

#2. Jenax

Ett annat företag som har gjort banbrytande arbete inom batteriböjbarhet eller stretchbarhet är Jenax. En av deras mest innovativa flaggskeppsprodukter är J.Flex, Jenax’s innovativa, flexibla, fast‑tillstånd, snabbladdande, uppladdningsbara litiumjonbatteri.

Företaget påstår att deras produkt kan böjas helt och röra sig med enheten utan att offra kraft. När det gäller tillämpning riktar sig batteriet till ett brett område, inklusive IT‑wearables, hälso‑ och fitness‑wearables, mode och militären. 

J.Flex‑batterierna kan böjas eller rullas för att öka flexibiliteten i nästa generations enheter. Även med konstant dynamisk böjning kan de prestera med samma effektivitet och kapacitet som den icke‑böjda grundnivån. 

J.Flex stödjer anpassning då en designer nu utan tvekan kan tänka sig att skapa nya former och storlekar – som tidigare inte var möjliga – utan att offra prestanda. Batteriet uppfyller också internationella standarder för att säkerställa säkerhet för alla tillämpningar.

Klicka här för en lista över de bästa batteriaktierna att investera i.

Böj det som ett batteri: framtida trender inom batteriböjbarhet. 

Den mängd forskning som pågår inom detta område gör området lovande för tillväxt. Företag blir allt mer innovativa med sina elektroniska enhetsdesigner. De föreställer sig nya estetiska uttryck och skapar en efterfrågan på böjbarhet, stretchbarhet och flexibilitet i batterier som så småningom ska driva deras prylar. 

Medan vi redan har granskat två sådana forskningsstudier som bär stafettpinnen vidare, kommer vi att avsluta dagens diskussion genom att titta på en annan som kan vara full av tillämpningar i framtiden. Ett forskarlag från University of Houston designade och utvecklade en prototyp av ett helt stretchbart, tygbaserat litiumjonbatteri.

Forskarna använde ledande silvertyg som plattform och strömsamlare, vilket visade sig vara ett genombrott. När de förklarade vad forskningen hade uppnått och dess betydelse sade Haleh Ardebili, Bill D. Cook-professor i maskinteknik vid UH, som ansvarade för forskningen:

“Det verkade som ett naturligt nästa steg att skapa och integrera stretchbara batterier med stretchbara enheter och kläder. Föreställ dig att vika, böja eller sträcka din laptop eller telefon i fickan eller använda interaktiva sensorer inbäddade i våra kläder som övervakar vår hälsa.”

Forskningen har inte bara potential att öppna nya fronter för batterianvändning i vårt dagliga liv, utan den korrigerade också ett grundläggande problem som tidigare fanns: stelheten. På samma sätt som Johns Hopkins‑forskningen 2019 omvandlade UH‑forskarna stela litiumjonbatterielektroder till fasta polymerelektrolyter som är bärbara, tygbaserade, flexibla och stretchbara elektroder.

Enligt Ardebili:

“Batterielektroden måste tillåta rörelse av både elektroner och joner.”

Detta krav kan effektivt uppfyllas med användning av vävt silvertyg, eftersom det kan mekaniskt deformeras eller sträckas och ändå tillhandahålla ”elektriska ledningsvägar som är nödvändiga för att batterielektroden ska fungera väl.”

Även om batteritekniken fortfarande befann sig i ett tidigt teststadium kunde forskarna föreställa sig dess tillämpning i smarta rymddräkter, konsumentelektronik inbäddad i kläder som övervakar människors hälsa, och enheter som interagerar med människor på olika nivåer. Dock, som alla uppfinningar, berodde denna på skalning av tillverkning, hantering av kostnadsstrukturen och liknande faktorer.

Under de kommande dagarna kommer vi att se fler innovationer i våra smartphones. Ett annat växande område är bärbar teknik inriktad på hälsa och fitness. Mode och accessoarer kommer också att integrera elektroniska element.

Allt detta kommer att leda till ökad efterfrågan på stretchbara batterier. Forskarna kommer att se en ökande adoption av deras teknik över olika industrier. Dock får man inte glömma aspekterna av säkerhet, livslängd och prestanda vid tillverkning av dem. 

Klicka här för att lära dig hur avancerad nanofotonik kan hjälpa oss att bygga bättre smartphones.