(Phys.org) - Ao conectar um novo flexível, bateria de íon-lítio de película fina para um LED orgânico flexível, uma equipe de pesquisadores da Coréia do Sul demonstrou o primeiro sistema eletrônico totalmente flexível e totalmente funcional. Em outras palavras, eles mostraram a integração total de uma tela flexível e bateria em um único substrato de plástico, sem a ajuda de componentes eletrônicos em massa. A conquista depende de um novo método de fabricação que permite que baterias flexíveis funcionem com uma variedade de materiais de eletrodo, superando as limitações anteriores do eletrodo.

Os pesquisadores, do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) em Daejeon, Coreia do Sul, publicaram seu estudo sobre a nova bateria dobrável de íon-lítio em uma edição recente da Nano Letras .

Embora várias outras baterias de íon-lítio flexíveis já tenham sido desenvolvidas, nenhum atingiu um desempenho suficiente na estabilidade de operação para ser aplicado a produtos comerciais, tais como displays rollable e outros eletrônicos de consumo flexíveis. A razão é que os eletrodos para essas baterias só podem ser feitos de alguns materiais devido a dificuldades de fabricação, e esses materiais não têm um desempenho muito bom. Como explica o co-autor Keon Jae Lee da KAIST, um tipo de material catódico ideal seria um óxido de metal de transição de lítio, embora este seja um dos materiais que atualmente não podem ser incorporados em baterias de íon de lítio dobráveis.

"Óxidos de metal de transição de lítio usados ​​como eletrodo de cátodo devem ser tratados em alta temperatura (por exemplo, cerca de 700 ° C para óxido de lítio-cobalto) para a cristalinidade, ”Lee disse Phys.org . "Contudo, não é possível tratar termicamente o material ativo em substratos flexíveis como materiais poliméricos ”.

Para superar essa limitação, os pesquisadores desenvolveram uma técnica de fabricação que lhes permite tratar termicamente o material do eletrodo, permitindo o uso de quase qualquer material como eletrodo. Esta técnica, chamado método de transferência universal, envolve originalmente depositar os materiais da bateria em um substrato de mica quebradiço, semelhante ao usado na fabricação de baterias não flexíveis padrão. Então, usando fita adesiva, os pesquisadores retiraram o substrato de mica, camada por camada. Após cerca de 10 minutos de descascamento, os pesquisadores puderam remover todo o substrato de mica sem danificar a bateria de película fina.

Próximo, a bateria flexível é transferida para uma folha de polímero flexível e coberta com outra folha de polímero flexível. O resultado é uma bateria de íons de lítio flexível que pode ser feita com quase qualquer material de eletrodo. Aqui, os pesquisadores usaram óxido de lítio-cobalto como material catódico, que é atualmente o cátodo mais utilizado em baterias de íon-lítio não flexíveis devido ao seu alto desempenho. Para o ânodo, eles usaram lítio tradicional.

“Nós fabricamos uma bateria de íon-lítio flexível de alto desempenho estruturada com filmes finos inorgânicos de alta densidade usando a abordagem de transferência universal, que permite a realização de diversas baterias de íon-lítio flexíveis, independentemente da química do eletrodo, ”Disse Lee. "Além disso, pode formar eletrodos recozidos de alta temperatura em substratos de polímero para baterias de íon-lítio de alto desempenho. ”

Em testes, os pesquisadores demonstraram que a nova bateria flexível de íon-lítio tem a maior voltagem de carga (4,2 V) e capacidade de carga (106 μAh / cm ² ) já alcançados para baterias de íon-lítio flexíveis. Eles também demonstraram que a bateria pode ser dobrada com um alto ângulo de curvatura. Contudo, após 100 ciclos de carga-descarga, a bateria perdeu parte de sua capacidade. Dependendo do grau de deformação por flexão, manteve entre 88,2% e 98,4% de sua capacidade original.

Como os pesquisadores explicaram, uma tática que os ajudou a atingir esse alto desempenho, mesmo sob um ângulo de alta curvatura, foi colocar as partes ativas da bateria em um espaço mecanicamente neutro dentro do filme da bateria. Quando o filme da bateria é dobrado, um contrapeso se desenvolve entre a tensão de tração no lado externo e a deformação compressiva no lado interno, que cria um plano mecanicamente neutro no meio. Avançar, os pesquisadores calcularam que o ponto no qual a tensão de compressão muda para tensão de tração em um certo grau de flexão pode ter uma estabilidade ainda maior do que em um substrato quebradiço. Essa descoberta sugere que pode ser possível que as baterias de íon de lítio flexíveis tenham maior estabilidade e melhor desempenho do que as baterias de íon de lítio não flexíveis.

Para fabricar o primeiro sistema eletrônico totalmente flexível e totalmente funcional, os pesquisadores conectaram a bateria flexível de íons de lítio a um LED orgânico flexível, o último dos quais foi fabricado em um substrato flexível de óxido de estanho e índio. Os pesquisadores então envolveram todo o sistema com folhas de polímero flexíveis para aumentar a estabilidade mecânica. Eles demonstraram que, mesmo quando a bateria estava na posição dobrada, ele ainda pode alimentar o LED.

No futuro, os pesquisadores planejam melhorar o desempenho da bateria, particularmente sua densidade de energia, além de trabalhar na produção em massa por meio de um processo de decolagem a laser de uma etapa em vez de usar fita adesiva. Eles também observam que o novo método de transferência universal pode ser estendido para fabricar outros dispositivos flexíveis, como nanogeradores de filme fino, transistores de filme fino, e dispositivos termoelétricos.

“Estou interessado na combinação de uma fonte de energia flexível e colheita de energia piezoelétrica autoalimentada, chamados nanogeradores, ”Disse Lee. “O sistema eletrônico totalmente flexível e sua expansão com nanogeradores podem mudar nossa vida diária. Também, para ser utilizado em eletrônicos de consumo, aumentar a capacidade de energia é importante. Portanto, O empilhamento 3D desta bateria de película fina de 10 um de espessura seria um tópico interessante. ”

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