Создана гибкая батарея, способная к саморазложению

Созданы новые батареи, существенно облегчающие жизнь пациента с кардиостимуляторами

Ирландские ученые из Университета Квинса создали гибкую батарею для кардиостимуляторов, обладающую способностью разлагаться.

Помимо способности бесследно исчезать из человеческого организма по истечении определенного временного интервала, такая батарея сохраняет заряд в три раза дольше. Она изготовлена из негорючего материала и обладает конструктивными особенностями, препятствующими процессам утечки энергии. Способность приспособления гнуться, подстраиваясь под движения человеческого тела, делает процесс ношения устройств с такими батареями гораздо более комфортным.

Гита Шринивашан, руководитель проекта, рассчитывает на то, что в самом ближайшем будущем новое изобретение войдет в состав разных медицинских приборов и устройств. В качестве примеров она привела кардиостимуляторы и дефибрилляторы, состоящие из двух различных частей. Первая часть крепится к сердцу, вторая – фиксируется под кожей и соединяется с первой при помощи провода. В настоящее время для этих целей применяются твердые батареи, изготовленные из металла. Они часто доставляют пациентам дискомфорт из-за слишком явных ощущений присутствия инородного тела в организме. Кроме того, по истечении определенного временного отрезка они разряжаются и требуют замены новыми.

Новые батареи, помимо гибкости, обладают рядом других преимуществ. Так, например, они значительно более легкие, отсутствие горючих веществ в составе исключает возможность возгорания.

Способность разлагаться избавляет от необходимости затрачивать средства на сложную процедуру переработки. Сами материалы, используемые при производстве изделий, гораздо экономичнее и безопаснее, нежели те, что используются в металлических аналогах. Процедура «самоуничтожения» запускается при +27С, поэтому механизм разложения абсолютно безопасен для человека.

В случае успешного завершения тестовых испытаний, новые батареи можно будет использовать не только в медицинских целях, но и в комплектации с самыми разными электронными устройствами бытового и промышленного назначения.

Гибкие аккумуляторные батареи. Технологии будущего и применение

Аккумуляторы стали неотъемлемой частью многих современных устройств. Это источники питания цифровых фотоаппаратов, сотовых телефонов, ноутбуков, планшетов, видеокамер, медицинские, промышленные, военные и многие другие приборы.

Литий-ионные аккумуляторные батареи были огромным шагом вперед в сравнении с устаревшими тяжелыми щелочными элементами питания. Но на данный момент и они явно сдерживают совершенствование и развитие мобильной электроники и других сфер. Они пожароопасные, дороги, имеют небольшую емкость и не могут длительно сохранять заряд.

Решить эти проблемы призваны гибкие аккумуляторные батареи, которые должны стать безопасной и дешевой альтернативой существующим батареям. На данный момент гибкие аккумуляторные батареи не нашли промышленного применения, но они активно разрабатываются и совершенствуются. В ближайшем будущем они будут внедряться повсеместно. Гибкие батареи позволят создавать уникальные изделия, которые ранее было трудно себе вообразить.

Устройство

Над устройством гибких аккумуляторных батарей работает множество ученых. Именно поэтому создаются совершенно разные гибкие батареи, которые выполнены из разных элементов и материалов.

• На самых первых этапах гибкие аккумуляторные батареи имели следующее устройство;
  — полимерные подложки или низко-производительные органические материалы, занимающие слишком много пространства, а также приводящие к снижению емкости элемента;
  — катоды. Для улучшения их свойств они подвергались высокотемпературной обработке;
  — гибкие полимеры, которые разрушаются при высоких температурах.
• Исследователи из KAIST предложили версию гибкой литий-ионной батареи;
  — тонкая пластина из неорганического материала, которой не страшны высокие температуры;
  — на нее уложены в несколько слоев при помощи клейкой ленты следующие элементы: анод, электролит катод и токоприемник. В результате были выделены части из двух полимерных пленок со слюдой с активными слоями.
  Скручивание подобной гибкой батареи довольно слабо сказывается на ее производительности. Напряжение при сильном сгибании почти не меняется, а емкость снижается не больше 7 процентов. Для коммерческого использования ученым необходимо научиться разделять слои в промышленных условиях. Возможно, этого можно будет добиться применением лазерного метода деламинации.
• Исследователи из Технологического института Нью-Джерси создали собственный прототип гибких батарей;
  — гибкая пластиковая подложка, которая пропитана электро-активными ингредиентами;
  — электро-активные ингредиенты включают в себя микрочастицы и нанотрубки;
  — микрочастицы выполняются из литиевых солей (литиевые батареи) или из цинка с добавлением диоксида марганца (щелочные батареи).
  Прототип представляет мягкий конверт или пакет, где находятся два электрода — один в виде графитовой пены, а другой – алюминиевый. Все это погружается в специальный солевой раствор. Такая батарея заряжается меньше минуты, очень надежна и безопасна в сравнении с литий-ионными батареями, однако обеспечивает вдвое меньшее напряжение.

Применение графита позволяет получать отличную производительность, но до промышленного изготовления батарей будет нужно несколько лет исследований.

• LG Chem, член корпорации LG, создала литий-ионный аккумулятор в виде кабеля, который имеет диаметр в несколько миллиметров. У нее такая гибкость, что ее можно носить в виде браслета, завязывать узлом и даже соткать ткань из подобных батарей. Устройство у нее следующее:

— Катод из окиси лития-кобальта.
— Анод.
— Электролит.

Главное отличие в том, что все компоненты кабеля-аккумулятора выполнены в виде гибких спиралей, а не располагаются в виде плоских слоев. В качестве катода выступают тонкие медные провода, покрытые специальным слоем из сплава никеля и олова.

Такие нити сплетаются в более толстое волокно, оно обертывается вокруг стержня диаметром 1,5 мм. С удалением стержня остается весьма гибкая и прочная спираль будущего анода. Поверх спирали наматывается алюминиевая лента, после чего погружается в жидкий раствор окиси лития-кобальта, чтобы создать катод аккумулятора.

Получившуюся конструкцию закрывают защитной оберткой, а центральная полость наполняется жидким электролитом.
Плотность хранения энергии и напряжение полностью соответствует обычным литий-ионным батареям, но они более гибкие и тонкие.

Принцип действия

В основе большинства создаваемых гибких аккумуляторов лежат полимерные электроды. Они наделены структурой, которая напоминает вязкую текучую жидкость. В результате их можно:

• Гнуть.
• Изгибать.

Кроме того, они отличаются экологической безопасностью. Вызвано это тем, что Новые гибкие аккумуляторные батареи не содержат электролита.

На текущий момент изобретение гибких литий-ионных аккумуляторов пока что находится в стадии производства прототипа. Однако в ближайшие годы планируется коммерциализировать указанное изобретение. В то же время батарея уже испытана и подтвердила, что может выдерживать изгибы, повороты и иные деформации, сохраняя собственную способность удерживать заряд.

Но есть компании, которые продолжают линейку уже существующих аккумуляторов, создавая образцы литий-ионных батарей, обладающих способностью к деформации. Так в гибких батареях компании Panasonic применяется внутренняя структура проводки и многослойные наружные корпусы, которые избегают, перегрев или утечку электролита. Корпус аккумулятора защищает ламинированная оболочка.

Гибкие аккумуляторные батареи Panasonic имеют толщину в 0,55 мм, они могут изгибаться так, что по кривой они закручиваются в радиус 25 мм. Батареи Panasonic держат заряд в пределах 17,5-60 мАч. Для современных смартфонов этой мощности пока не хватает, но изобретение уже сегодня можно успешно использовать для маломощных устройств, к примеру, смарт-одежды или смарт-карт.

Применение

Над гибкими батарейками работают множество компаний, среди них такие гиганты, как LG, Samsung и Panasonic. Их инженеры пытаются создавать не только гибкие аккумуляторы, но дисплеи и микропроцессоры. В ближайшие годы компании отойдут от гонки разрешений и диагоналей в мобильной технике, чтобы начать сгибать все, что только можно.

LG уже произвела телевизор, который вполне можно скрутить в рулон. В скором времени в магазинах вполне могут начать продавать погонные метры телевизоров, компьютеров и смартфонов.

Другие компании также не отстают и внедряют гибкие батареи в различные устройства:

• Носимые гаджеты в виде часов, браслетов.
• Ремешки устройств.
• Многочисленные модели «умной» одежды, в которых сегодня применяется жесткий аккумулятор.
• Гибкие шторы, жалюзи.
• Телевизоры, смартфоны и так далее.

Единственное, что данные устройства выполнены только в прототипах и небольших количествах, а также не лишены недостатков.

Гибкая органическая батарея произведёт революцию в медицинских имплантатах

Создан гибкий источник питания из органических соединений с использованием «естественного сырья», для медицинских имплантатов. Батарея разлагается на безопасные биологические компоненты, и может быть применена в потребительской электронике уже через 5 лет.

Ученые из университета Квинс в Белфасте создали гибкий органический источник питания, способный изменить существующий подход к снабжению энергией медицинских имплантатов. Сейчас имплантируемые устройства, такие как кардиостимулятор, получают энергию от «жестких» металлических батарей, что делает эти устройства не очень удобными. К тому же, они не могут саморазрушаться, и их необходимо хирургически удалять через определённое время.

Новая гибкая органическая батарейка запасает энергии в три раза больше обычной и, будучи саморазрушающейся, обладает очевидным преимуществом в плане охраны окружающей среды. У устройства нет проблемы утечек, и оно негорюче. Так же ввиду гибкости и способности смещаться внутри тела — это наиболее комфортный вариант для пациентов.

Доктор Грита Шринивасан, руководитель в исследовательском центре «Лаборатории Ионных Жидкостей» Университета Квинс, объясняет, как гибкие суперконденсанторы могут питать медицинские устройства: «Устройства типа кардиостимуляторов и дефибрилляторов состоят из двух имплантатов — один встраивается в сердце, другой содержит жёсткие батареи —и они имплантируются под кожу. Подкожный имплант соединяется с основным проводами, которые вызывают дискомфорт трением о кожу. Поэтому батареи должны быть совместимы с телом, и в идеале — гибкими, способными адаптироваться к окружающим их формам.»

Эта новая батарейка безопаснее существующих, поскольку не использует горючих растворителей и не взрывоопасна. Её малый вес и гибкость способствуют широкому применению в устройствах потребительской электроники, таких как гибкие ноутбуки и смартфоны, развитие которых на сегодняшний день сдерживается из-за использования традиционных аккумуляторов.

Кроме того, существующие батареи представляют проблемы для вторичной переработки из-за содержимых токсичных веществ — тогда как органические батареи без проблем распадаются самостоятельно. Это возможно потому, что они производятся из органических составляющих типа целлюлозы, а не из дорогих и биологически неразлагаемых металлов или полупроводников. В то же время, способность к саморазложению этих батарей не умаляет их безопасности внутри тела человека — они начинают распадаться только при температурах выше 270 С.

По словам доктора Грита Шринивасан в интервью БиБиСи — она уверенна, что при достаточном финансировании можно начать массовое производство новых батарей, которые могут быть внедрены для питания электронных устройств в ближайшие пять лет.

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Инженеры и ученые из университета Чжэцзяна (Zhejiang University), Восточный Китай, разработали алюминиево-графеновую супербатарею, обладающую целым рядом столь выдающихся характеристик, что это вызывает весьма обоснованные сомнения. Согласно разработчикам, эта батарея способна полностью заряжаться всего за 5 секунд, а ее емкости достаточно для обеспечения работы смартфона в течение двух часов. Батарея теряет менее 10 процентов от своей изначальной емкости после 250 тысяч циклов заряда-разрядки, она способна работать при температурах от –40 до 120 градусов Цельсия, она гибка и выдерживает без потери емкости до 10 циклов деформации и, к тому же, более безопасна с точки зрения возможности возгорания, чем обычные литий-ионные аккумуляторные батареи.

Такие фантастические характеристики являются следствием использования тонкой пленки графена в качестве материала положительного электрода и алюминиевой фольги в качестве отрицательного электрода. Главной «фишкой» данной аккумуляторной батареи является графеновый пленочный катод, изготовленный по технологии 3H3C (trihigh tricontinuous). Особенностью этой технологии является создание крошечных графеновых локальных структур (3H) и непрерывная токопроводящая матрица, обеспечивающая как электронную, так и ионную проводимость (3C). Сложная структура катода батареи обеспечивает ей значение плотности хранения энергии на уровне 120 мА*ч/грамм и сверхвысокие динамические характеристики, что позволяет ей заряжаться до 91.7 процентов всего за 1.1 секунды.

Если на основе новой технологии создать батарею для обычного смартфона, то такая батарея сможет прослужить не менее 70 лет даже с учетом того, что ее придется подзаряжать в среднем 10 раз в день.

Однако, некоторые эксперты, в частности Чжен Джиату (Чжен Джиэту), заместитель директора альянса China Electric Vehicle Charging Technology and Industry Alliance, предупреждают, что к приведенным здесь цифрам надо относиться с осторожностью.

«Результаты, о которых объявила исследовательская группа, являются результатами расчетов математических моделей, а не реальными данными, полученными в ходе испытаний опытных образцов. Ведь даже для проверки остаточной емкости батареи после 250 тысяч циклов, потребуется очень долгое время».

Тем не менее, сами исследователи признают, что им предстоит проделать еще массу работы, прежде чем технология алюминиево-графеновых супербатарей приблизится к уровню практического применения. Такие батареи значительно проигрывают литий-ионным батареям по электрической емкости и это является тем фактором, который будет сдерживать возможность их практического использования, несмотря на все остальные фантастические параметры.

Исследователи создали гибкую органическую батарею для медицинских имплантатов

Ученые из ирландского Университета Квинса в Белфасте разработали новую гибкую органическую батарею, обещающую серьезный шаг в развитии сферы медицинских имплантатов. В настоящий момент медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы, используют твердые батареи, сделанные из металла, что делает их не очень удобными. Кроме того, такие батареи не обладают особенностью разложения, поэтому через время необходимо проводить повторную операцию у пациента для извлечения батареи и замены ее на новую.

Новая же гибкая органическая батарея не только способна держать в три раза больше заряда, по сравнению с обычно используемыми батареями, но еще и предлагает весьма полезные с точки зрения окружающей среды свойства, так как может самостоятельно разлагаться. При этом при такой особенности устройство совершенно не подвержено утечкам энергии, а еще она сделана из негорючего материала. Кроме того, для пациентов ее использование будет несколько комфортнее, так как батарея обладает гибким свойством, а следовательно, может менять свою форму с движением тела человека.

Доктор Гита Шринивашан, глава исследования из Лабораторно-исследовательского центра ионных жидкостей при Университете Квинса (QUILL) рассказала в интервью изданию BBC о том, как гибкий суперконденсатор может стать частью новых медицинских устройств.

«Медицинские устройства вроде кардиостимуляторов и дефибрилляторов, как правило, состоят из двух имплантируемых частей. Одно крепится непосредственно к самому сердцу, в то время как второе содержит металлическую твердую батарею, которая имплантируется под кожу пациента», — говорит доктор Шринивашан.

«Имплантат под кожей соединяется проводом с основным устройством и может вызывать у пациента дискомфорт, так как может тереться об подкожный слой. По этой причине необходимо было разработать новые и удобные в использовании батареи. Идеальным решением было сделать их гибкими, чтобы они могли изменять свою форму и адаптироваться под форму организма».

Как отмечалось выше, новая батарея безопаснее ныне используемых, так как не содержит каких-либо горючих материалов и, следовательно, не обладает риском взорваться. Она не только гибкая, но еще и очень легкая, что открывает для нее дорогу к использованию в другой потребительской электронике, например в гибких лэптопах или телефонах, где в настоящий момент тоже используются твердотельные батареи.

Более того, нынешние батареи весьма затратно перерабатывать, так как они содержат токсичные материалы. Органические же батареи со временем самостоятельно разложатся без причинения какого-либо вреда окружающей среде. В новой батарее, разработанной командой Шринивашан, используются такие биоматериалы, как целлюлоза, а не дорогие и не разлагаемые металлы или полупроводники, как в обычных. Стоит также отметить, что, несмотря на способность саморазложения, батареи полностью безопасны для человеческого организма, так как начинают разрушаться только при достижении температуры 270 градусов Цельсия.

Доктор Шринивашан в интервью BBC выразила уверенность в том, что при грамотном финансировании разработанные ею и ее командой батареи можно будет легко коммерциализировать и начать использовать в самой разной потребительской и медицинской электронике в течение ближайших пяти лет.

Гибкие аккумуляторные батареи. Технологии будущего и применение

Аккумуляторы стали неотъемлемой частью многих современных устройств. Это источники питания цифровых фотоаппаратов, сотовых телефонов, ноутбуков, планшетов, видеокамер, медицинские, промышленные, военные и многие другие приборы.

Литий-ионные аккумуляторные батареи были огромным шагом вперед в сравнении с устаревшими тяжелыми щелочными элементами питания. Но на данный момент и они явно сдерживают совершенствование и развитие мобильной электроники и других сфер. Они пожароопасные, дороги, имеют небольшую емкость и не могут длительно сохранять заряд.

Решить эти проблемы призваны гибкие аккумуляторные батареи, которые должны стать безопасной и дешевой альтернативой существующим батареям. На данный момент гибкие аккумуляторные батареи не нашли промышленного применения, но они активно разрабатываются и совершенствуются. В ближайшем будущем они будут внедряться повсеместно. Гибкие батареи позволят создавать уникальные изделия, которые ранее было трудно себе вообразить.

Устройство

Над устройством гибких аккумуляторных батарей работает множество ученых. Именно поэтому создаются совершенно разные гибкие батареи, которые выполнены из разных элементов и материалов.

• На самых первых этапах гибкие аккумуляторные батареи имели следующее устройство;
  — полимерные подложки или низко-производительные органические материалы, занимающие слишком много пространства, а также приводящие к снижению емкости элемента;
  — катоды. Для улучшения их свойств они подвергались высокотемпературной обработке;
  — гибкие полимеры, которые разрушаются при высоких температурах.
• Исследователи из KAIST предложили версию гибкой литий-ионной батареи;
  — тонкая пластина из неорганического материала, которой не страшны высокие температуры;
  — на нее уложены в несколько слоев при помощи клейкой ленты следующие элементы: анод, электролит катод и токоприемник. В результате были выделены части из двух полимерных пленок со слюдой с активными слоями.
  Скручивание подобной гибкой батареи довольно слабо сказывается на ее производительности. Напряжение при сильном сгибании почти не меняется, а емкость снижается не больше 7 процентов. Для коммерческого использования ученым необходимо научиться разделять слои в промышленных условиях. Возможно, этого можно будет добиться применением лазерного метода деламинации.
• Исследователи из Технологического института Нью-Джерси создали собственный прототип гибких батарей;
  — гибкая пластиковая подложка, которая пропитана электро-активными ингредиентами;
  — электро-активные ингредиенты включают в себя микрочастицы и нанотрубки;
  — микрочастицы выполняются из литиевых солей (литиевые батареи) или из цинка с добавлением диоксида марганца (щелочные батареи).
  Прототип представляет мягкий конверт или пакет, где находятся два электрода — один в виде графитовой пены, а другой – алюминиевый. Все это погружается в специальный солевой раствор. Такая батарея заряжается меньше минуты, очень надежна и безопасна в сравнении с литий-ионными батареями, однако обеспечивает вдвое меньшее напряжение.

Применение графита позволяет получать отличную производительность, но до промышленного изготовления батарей будет нужно несколько лет исследований.

• LG Chem, член корпорации LG, создала литий-ионный аккумулятор в виде кабеля, который имеет диаметр в несколько миллиметров. У нее такая гибкость, что ее можно носить в виде браслета, завязывать узлом и даже соткать ткань из подобных батарей. Устройство у нее следующее:

— Катод из окиси лития-кобальта.
— Анод.
— Электролит.

Главное отличие в том, что все компоненты кабеля-аккумулятора выполнены в виде гибких спиралей, а не располагаются в виде плоских слоев. В качестве катода выступают тонкие медные провода, покрытые специальным слоем из сплава никеля и олова.

Такие нити сплетаются в более толстое волокно, оно обертывается вокруг стержня диаметром 1,5 мм. С удалением стержня остается весьма гибкая и прочная спираль будущего анода. Поверх спирали наматывается алюминиевая лента, после чего погружается в жидкий раствор окиси лития-кобальта, чтобы создать катод аккумулятора.

Получившуюся конструкцию закрывают защитной оберткой, а центральная полость наполняется жидким электролитом.
Плотность хранения энергии и напряжение полностью соответствует обычным литий-ионным батареям, но они более гибкие и тонкие.

Принцип действия

В основе большинства создаваемых гибких аккумуляторов лежат полимерные электроды. Они наделены структурой, которая напоминает вязкую текучую жидкость. В результате их можно:

• Гнуть.
• Изгибать.

Кроме того, они отличаются экологической безопасностью. Вызвано это тем, что Новые гибкие аккумуляторные батареи не содержат электролита.

На текущий момент изобретение гибких литий-ионных аккумуляторов пока что находится в стадии производства прототипа. Однако в ближайшие годы планируется коммерциализировать указанное изобретение. В то же время батарея уже испытана и подтвердила, что может выдерживать изгибы, повороты и иные деформации, сохраняя собственную способность удерживать заряд.

Но есть компании, которые продолжают линейку уже существующих аккумуляторов, создавая образцы литий-ионных батарей, обладающих способностью к деформации. Так в гибких батареях компании Panasonic применяется внутренняя структура проводки и многослойные наружные корпусы, которые избегают, перегрев или утечку электролита. Корпус аккумулятора защищает ламинированная оболочка.

Гибкие аккумуляторные батареи Panasonic имеют толщину в 0,55 мм, они могут изгибаться так, что по кривой они закручиваются в радиус 25 мм. Батареи Panasonic держат заряд в пределах 17,5-60 мАч. Для современных смартфонов этой мощности пока не хватает, но изобретение уже сегодня можно успешно использовать для маломощных устройств, к примеру, смарт-одежды или смарт-карт.

Применение

Над гибкими батарейками работают множество компаний, среди них такие гиганты, как LG, Samsung и Panasonic. Их инженеры пытаются создавать не только гибкие аккумуляторы, но дисплеи и микропроцессоры. В ближайшие годы компании отойдут от гонки разрешений и диагоналей в мобильной технике, чтобы начать сгибать все, что только можно.

LG уже произвела телевизор, который вполне можно скрутить в рулон. В скором времени в магазинах вполне могут начать продавать погонные метры телевизоров, компьютеров и смартфонов.

Другие компании также не отстают и внедряют гибкие батареи в различные устройства:

• Носимые гаджеты в виде часов, браслетов.
• Ремешки устройств.
• Многочисленные модели «умной» одежды, в которых сегодня применяется жесткий аккумулятор.
• Гибкие шторы, жалюзи.
• Телевизоры, смартфоны и так далее.

Единственное, что данные устройства выполнены только в прототипах и небольших количествах, а также не лишены недостатков.

Источники:
http://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/gibkie-akkumuliatornye-batarei/
http://gearmix.ru/archives/38013
http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/sozdana-alyuminievo-grafenovaya-superbatareya-sposobnaya-zaryazhatsya-vsego-za-5-sekund
http://hi-news.ru/technology/issledovateli-sozdali-gibkuyu-organicheskuyu-batareyu-dlya-medicinskix-implantatov.html
http://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/gibkie-akkumuliatornye-batarei/
http://bloomchain.ru/newsfeed/gazprombank-razrabotaet-varvaru-biometricheskogo-golosovogo-pomoshhnika-iz-rossii/