باتری‌های قابل انعطاف به دلیل پتانسیل بالای آن‌ها در ایجاد محصولات الکترونیکی خم‌شونده، مورد توجه بسیاری از پژوهش‌ها قرار گرفته‌اند. این قابلیت‌های چندگانه، توسعه‌ی فناوری‌هایی مانند اینترنت اشیاء (IoT)، نمایشگرهای خمیده و منعطف، ربات‌های پزشکی قابل کاشت و دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی را تسهیل می‌کنند. بسیاری از باتری‌های لیتیوم-یون با عملکرد بالا، به دلیل ساختار سخت و شکننده‌ای که دارند، به‌طور مستقیم قابل استفاده در دستگاه‌های انعطاف‌پذیر که تحت شرایط عملیاتی دشواری مانند خم شدن، کشیده شدن، تا شدن، پیچ‌خوردن و انعطاف مکرر هستند، نمی‌باشند.
کاربردهای باتری‌های انعطاف‌پذیر اغلب به دنبال استفاده از مواد و ساختارهایی هستند که بتوانند بین عملکرد و انعطاف‌پذیری تعادلی ایجاد کنند. باتری‌های لیتیوم-یون متداول، از الکترودهای متخلخل بهره می‌برند که در الکترولیت‌های غیرآبی غوطه‌ور شده‌اند تا مسیرهای انتقال یون و الکترون را فراهم کنند. این الکترودهای متخلخل معمولاً از مواد فعال و پرکننده‌های رسانا ساخته می‌شوند که با چسب‌های پلیمری به هم متصل شده‌اند تا یکپارچگی الکترودها در حین عملکرد حفظ شود.
برای دستیابی به چگالی انرژی مطلوب در سلول‌های بزرگ‌مقیاس، استفاده از الکترودهای ضخیم، مقدار کم الکترولیت، تخلخل پایین و حداقل مواد غیرفعال مدنظر قرار می‌گیرد. اما سلول‌های انعطاف‌پذیر باید بتوانند تغییر شکل‌های هندسی قابل توجهی را تحمل کنند، که این موضوع منجر به لغزش و جابه‌جایی اجزای داخلی می‌شود. بنابراین، طراحی اجزا و ساختار باتری انعطاف‌پذیر پیش‌نیاز ضروری برای تحمل تغییر شکل‌های قابل قبول است. به عنوان مثال، باید تخلخل بالایی در الکترودهای انعطاف‌پذیر حفظ شود تا امکان رهاسازی تنش وجود داشته باشد، اما این کار به ناچار منجر به کاهش چگالی انرژی کل سلول می‌شود. در نتیجه، نحوه بهینه‌سازی مواد، ساختارها و پیکربندی سلول‌ها، به‌طور جامع بر عملکرد و کارایی نهایی باتری‌های انعطاف‌پذیر تأثیرگذار است.
برای گسترش استفاده در ذخیره‌سازی هوشمند انرژی، انواع مختلفی از شیمی‌های باتری مورد بررسی قرار گرفته‌اند. باتری‌های لیتیوم-سولفور و لیتیوم-اکسیژن (Li–S/O₂) چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون یا سدیم-یون معمولی دارند. پیشرفت‌های فنی در آند فلزی لیتیوم نیز نویدبخش افزایش چشمگیر چگالی انرژی است. باتری‌های مبتنی بر روی (Zinc-based) به دلیل ایمنی بالا و چگالی توان مناسب، توجه زیادی را در حوزه باتری‌های انعطاف‌پذیر به خود جلب کرده‌اند.
علاوه بر این، باتری‌هایی با یون فلزات چندالکترونی مانند آلومینیوم و منیزیم، به دلیل چگالی انرژی بالا و یا فراوانی منابع، وارد حوزه پژوهش‌های دانشگاهی شده‌اند. در این سیستم‌های باتری، الکترودها به دلیل نقش اصلی‌شان در تعیین چگالی انرژی و قابلیت چرخه‌پذیری، توجه ویژه‌ای را به خود معطوف کرده‌اند. در عین حال، اجزای غیرفعال نظیر جداکننده‌ها، الکترولیت‌ها، کلکتورهای جریان، چسب‌ها و بسته‌بندی نیز تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد نهایی انرژی/توان و همچنین میزان انعطاف‌پذیری باتری دارند.
پارامترهای حیاتی برای ارزیابی باتری‌های انعطاف‌پذیر
انعطاف‌پذیری در باتری‌ها به توانایی آن‌ها در تحمل تغییر شکل‌هایی که بر اثر نیروهای خارجی ایجاد می‌شود، اشاره دارد. این انعطاف‌پذیری می‌تواند در قالب‌های مختلفی مانند کشش، پیچش، تا شدن، خم شدن یا ترکیبی از آن‌ها ظاهر شود. باتری‌های انعطاف‌پذیر باید در چنین تغییر شکل‌هایی، ویژگی‌های الکتروشیمیایی خود را حفظ کرده یا حداقل، افت محسوسی در آن‌ها نداشته باشند. برخورداری از انعطاف‌پذیری قوی، این امکان را فراهم می‌کند که باتری‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی و انعطاف‌پذیر به کار گرفته شده و کارکردهای متنوعی را فراهم سازند.
کلکتورهای جریان انعطاف‌پذیر
کلکتورهای جریان به‌عنوان بستری برای جمع‌آوری و انتقال الکترون‌ها از مواد فعال به مدارهای خارجی عمل می‌کنند و همچنین از مواد فعال در فرآیند ساخت باتری پشتیبانی می‌نمایند. در باتری‌های لیتیوم-یون تجاری، از آلومینیوم و مس به ترتیب به‌عنوان کلکتور جریان کاتد و آند استفاده می‌شود، زیرا این فلزات دارای پایداری الکتروشیمیایی بالا در برابر اکسایش و کاهش، هزینه پایین و رسانایی الکتریکی عالی هستند.
باتری‌های انعطاف‌پذیر علاوه بر این ویژگی‌ها، نیازمند قابلیت‌هایی مانند پایداری مکانیکی بالا در هنگام تغییر شکل و چسبندگی بین کلکتور جریان و مواد الکترودی نیز هستند. استفاده مستقیم از فویل‌های آلومینیوم و مس در باتری‌های انعطاف‌پذیر با شکست‌های مکانیکی یا حتی خطرات ایمنی همراه است. توانایی تغییر شکل فویل‌های آلومینیوم و مس به ترتیب ۰٫۹٪ و ۱٫۲٪ طول اولیه آن ها است، در حالی‌که باتری‌های انعطاف‌پذیر به توانایی تغییر شکلی در حدود ۵٪ نیاز دارند. خم شدن مداوم باتری‌های در حال کار می‌تواند منجر به خرابی کلکتورهای جریان و مواد فعال شود، که این مسئله باعث افت عملکرد باتری و خطرات گرمایی مانند فرار حرارتی و اشتعال خواهد شد.
برای ایجاد کلکتورهای جریان انعطاف‌پذیر از جنس مس و آلومینیوم، دو راهکار پیشنهاد شده است. اولین راهکار، کاهش قابل توجه ضخامت فویل‌هاست؛ در واقع، هر ماده‌ای در قالبی به اندازه کافی نازک، می‌تواند انعطاف‌پذیر شود. با این حال، تهیه فویل‌های فلزی نازک، چالش‌های فنی و اقتصادی زیادی را در مسیر تجاری‌سازی ایجاد می‌کند و همچنین به دلیل استحکام مکانیکی ناکافی برای پشتیبانی از مواد فعال، مانعی برای یکپارچه‌سازی روش‌های تولیدی مانند رول-به-رول در ساخت باتری‌های انعطاف‌پذیر کامل محسوب می‌شود.
راهکار دوم، مهندسی ساختار متخلخل فویل‌های فلزی است. تحلیل‌های عددی نشان داده‌اند که انعطاف‌پذیری با افزایش تخلخل ساختاری، به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد. برای مثال، تنش در ماده‌ای با تخلخل ۰٫۵ می‌تواند تا ۸۸٪ نسبت به حالت جامد مشابه در همان شعاع خم شدن کاهش یابد. با این حال، ساختار متخلخل تأثیر منفی بر رسانایی الکتریکی کلکتورهای جریان دارد؛ به‌گونه‌ای که یک فوم فلزی با تخلخل ۰٫۵ تنها حدود ۴۰٪ رسانایی الکتریکی حالت جامد خود را خواهد داشت. بنابراین، توسعه کلکتورهای جریان انعطاف‌پذیر بر پایه فویل‌های مسی و آلومینیومی باید با در نظر گرفتن دقیق پارامترهایی چون تنش مکانیکی، ضخامت، تخلخل و رسانایی انجام شود تا بتوان توازن مناسبی میان آن‌ها برقرار کرده و باتری‌های انعطاف‌پذیر پیشرفته‌تری ساخت.
نمودار مقایسه استحکام و انعطاف پذیری مواد مورد مهندسی
الکترولیت‌های انعطاف‌پذیر
الکترولیت یکی از اجزای کلیدی باتری است که به‌عنوان رسانای یونی عمل می‌کند، در حالی که عایق الکترونی باقی می‌ماند تا هم انتقال یون‌ها را تسهیل کند و هم میزان تخلیه خودبه‌خودی باتری را به حداقل برساند. انتخاب یک الکترولیت مناسب که با سایر اجزای سلول سازگار باشد، گامی ضروری برای دستیابی به باتری‌های کارآمد است.
الکترولیت‌های مایع همچنان گزینه اصلی برای باتری‌های لیتیوم-یون انعطاف‌پذیر به شمار می‌روند، چراکه ویژگی‌هایی چون نفوذپذیری آسان، تحرک یونی بالا، قابلیت ترشوندگی مناسب و تشکیل لایه‌ی بین‌فازی جامد (SEI) پایدار را دارند. با این حال، الکترولیت‌های مایع به‌صورت ذاتی با مشکلات ایمنی و پیری باتری مواجه‌اند که عمدتاً به رشد دندریت‌های لیتیوم و نشت الکترولیت نسبت داده می‌شود.
در مقابل، الکترولیت‌های حالت‌جامد به‌عنوان حامل‌های بار امیدوارکننده برای ترکیب با آندهای فلز لیتیوم مطرح شده‌اند و می‌توانند زمینه‌ساز باتری‌های ایمن و با انرژی بالا در قالب انعطاف‌پذیر باشند. این الکترولیت‌ها مزایایی مانند عدم نشت، که مانع از خرابی یا آتش‌سوزی سلول می‌شود، مدول یانگ بالا برای جلوگیری از رشد دندریت‌های لیتیوم، پنجره‌ی الکتروشیمیایی گسترده برای استفاده از کاتدهای ولتاژ بالا و قابلیت قالب‌گیری ساده برای کاهش اجزای غیرفعال و هزینه تولید را ارائه می‌دهند.
الکترولیت‌های حالت‌جامد را می‌توان به انواع مبتنی بر پلیمر، نوع ژل، نوع معدنی و ترکیبی آلی/معدنی تقسیم کرد. الکترولیت‌های کاملاً جامد که هیچ‌گونه افزودنی لاستیکی ندارند، به دلیل طبیعت شکننده و سخت خود نمی‌توانند قابلیت تغییر شکل داشته باشند. این بخش عمدتاً به ویژگی‌های الکترولیت‌های پلیمری، نوع ژل و ترکیبی آلی/معدنی در باتری‌های انعطاف‌پذیر عملیاتی می‌پردازد.
الکترولیت‌های پلیمری حالت‌جامد (SPE) معمولاً از چارچوب‌های پلیمری هماهنگ‌کننده، نمک‌های لیتیوم و نرم‌کننده‌ها (مایع یا جامد) تشکیل شده‌اند و بنابراین، رسانایی یونی را با خواص مکانیکی جامد و در عین حال انعطاف‌پذیر ترکیب می‌کنند. پلیمرهای هماهنگ‌کننده رایج در این نوع الکترولیت‌ها شامل پلی(اتیلن‌اکسید) (PEO)، PAN و پلی(وینیلیدن فلوراید) (PVDF) هستند. برای دستیابی به تحرک بالای یون‌های لیتیوم، از نمک‌های لیتیوم با قابلیت تفکیک بالا استفاده می‌شود.
رسانش یون لیتیوم با حرکت موضعی زنجیره‌های پلیمری تسهیل می‌شود. یون‌های لیتیوم تفکیک‌شده از آنیون‌ها، با گروه‌های دهنده‌ی الکترون موجود در پلیمرها پیوند برقرار کرده و از طریق پرش یونی تحت میدان الکتریکی به سایت‌های دهنده‌ی بعدی منتقل می‌شوند.
برای افزایش حرکت موضعی زنجیره‌های پلیمری، ذرات جامد مانند SiO₂ و Al₂O₃ و همچنین حلال‌هایی مانند EC و PC به‌عنوان نرم‌کننده به کار می‌روند تا تشکیل نواحی آمورف را تسهیل کرده و در نتیجه، فرآیند انتقال لیتیوم را بهبود بخشند.
جداکننده‌های انعطاف‌پذیر
جداکننده در باتری، بین آند و کاتد قرار می‌گیرد و نقشی حیاتی در عملکرد ایفا می‌کند. این بخش به یون‌های فعال اجازه عبور می‌دهد، در حالی که مانع از عبور الکترون‌ها در مدار داخلی می‌شود، و بدین ترتیب از اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند. ساختار منفذی، جنس مواد و فرآیند ساخت جداکننده، عملکرد، قابلیت اطمینان و ایمنی باتری را به‌شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد.
در باتری‌های معمولی، جداکننده‌ها غالباً از غشاهای میکروپور پلی‌الفینی نظیر پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌پروپیلن (PP) یا ترکیبی از این دو تهیه می‌شوند. ضخامت این غشاها معمولاً بین 20 تا 40 میکرومتر است. با وجود مزایایی مانند استحکام مکانیکی مناسب، این نوع مواد دارای محدودیت‌هایی هستند:
- پایداری حرارتی پایین: در دماهای بالا، این پلیمرها ممکن است دچار تغییر شکل یا ذوب شوند، که می‌تواند منجر به اتصال کوتاه و خطر آتش‌سوزی شود.
- ترشوندگی ضعیف با الکترولیت‌ها: باعث کاهش نفوذپذیری یون‌ها و عملکرد الکتروشیمیایی باتری می‌شود.
برای حل این مشکلات و تطبیق جداکننده‌ها با نیازهای باتری‌های انعطاف‌پذیر، تحقیقات به سمت توسعه‌ی موادی با ویژگی‌های زیر سوق پیدا کرده‌اند:
- پوشش‌دهی سطحی یا اصلاح شیمیایی: اعمال لایه‌های آلی یا معدنی روی غشاهای پلی‌الفینی، مانند پوشش سیلیکا یا سرامیک‌های رسانای یون، می‌تواند هم پایداری حرارتی را افزایش دهد و هم ترشوندگی را بهبود بخشد.
- استفاده از الیاف نانو و کامپوزیت‌ها: غشاهای غیرمتقارن الیاف نانویی که از پلیمرهایی مانند PVDF یا PAN ساخته می‌شوند، در کنار مواد معدنی مانند Al₂O₃ یا TiO₂، ساختاری سبک، مقاوم، متخلخل و قابل‌انعطاف ایجاد می‌کنند.
- توسعه جداکننده‌های ژلی یا حالت‌جامد: در برخی طراحی‌ها، به‌ویژه برای باتری‌های حالت‌جامد انعطاف‌پذیر، از فیلم‌های ژل‌پلیمری یا کامپوزیتی استفاده می‌شود که نقش دوگانه‌ی الکترولیت و جداکننده را دارند و موجب کاهش وزن، ضخامت و هزینه تولید می‌شوند.
در باتری‌های انعطاف‌پذیر، جداکننده‌ها باید علاوه بر خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب، مقاومت مکانیکی در برابر خمش، کشش و پیچش را نیز داشته باشند، بدون اینکه عملکرد یونی و ایمنی را مختل کنند. این نیازها توسعه جداکننده‌هایی با ساختار متخلخل سه‌بعدی، قابلیت بازسازی، و تعامل شیمیایی کنترل‌شده با الکترولیت و الکترودها را ضروری کرده است.
در نتیجه، انتخاب و مهندسی دقیق جداکننده‌ها در کنار دیگر اجزای انعطاف‌پذیر، یکی از کلیدی‌ترین عوامل موفقیت در توسعه باتری‌های انعطاف‌پذیر نسل آینده است.
پیکربندی باتری‌های انعطاف‌پذیر: ساختارهای صفحه‌ای (2D) و الیافی (1D)
باتری‌های رایج با ساختارهای سخت معمولاً بر پایه‌ی صفحات مسطح (planar) طراحی می‌شوند. این صفحات به‌صورت لایه‌ای روی یکدیگر قرار می‌گیرند و تماس نزدیک بین اجزاء موجب افزایش چگالی انرژی و کاهش احتمال جدا شدن مواد فعال از زیرلایه‌ها می‌شود. این ساختار، به دلیل سادگی و روش‌های ساخت پخته، در طراحی باتری‌های انعطاف‌پذیر نیز بسیار مورد استفاده قرار گرفته است.
با این حال، برای اینکه ساختارهای صفحه‌ای در شرایط انعطاف‌پذیر نیز عملکرد مطلوبی داشته باشند، طراحی دقیق ویژگی‌هایی نظیر تخلخل، ترکیب مواد، و اجزاء سازنده ضروری است. این ویژگی‌ها باید به گونه‌ای مهندسی شوند که بین قابلیت انعطاف مکانیکی و عملکرد الکتروشیمیایی تعادل برقرار گردد.
ساختارهای الیافی: گزینه‌ای نوین و جذاب
در سال‌های اخیر، توجه زیادی به ساختارهای الیافی (1D) جلب شده است. این ساختارها به دلایل زیر مورد توجه‌اند:
- مینیاتوری بودن: امکان تولید باتری‌های بسیار کوچک برای ادغام در ابزارهای پوشیدنی و پزشکی فراهم می‌شود.
- سازگاری و انعطاف بالا: الیاف به راحتی می‌توانند خم، پیچیده یا کشیده شوند بدون آنکه عملکرد باتری کاهش یابد.
- قابلیت بافته شدن: الیاف باتری‌مانند را می‌توان در پارچه‌ها و منسوجات هوشمند به‌کار برد.
طراحی الیافی باتری منعطف
نمونه کاربردهای باتری‌های منعطف:
سنسورهای زیستی بکار رفته در کیت‌های پوستی از جمله سنسورهای سنجش قند خون هم‌اکنون بصورت موقت و کوتاه مدت عمل می‌کنند و پس از تخلیه‌ی باتری بدون استفاده شده و نیاز به جایگزینی دارند. اما در تجهیزات سنجشی مانند VitalConnect و یا MC10 که برای بررسی وضع سلامت و یا تشخیص حملات قلبی استفاده می‌شوند، از باتری‌هایی منعطف برای تامین انرژی استفاده می‌شود. کیت MC10 شامل سنسوری به ضخامت اندک است که بر روی پوست چسبانده می‌شود. سنسور TempTraq توسعه یافته توسط شرکت Blue Spark نیز یک تجهیز مرتبط با رصد تغییرات دمایی بدن است که از باتری‌های منعطف در ساختار خود استفاده می‌کند.
با گسترش ساخت نمایشگرهای منعطف، شرکت‌های فعال در این حوزه مانند سامسونگ، در حال توسعه فناوری باتری‌های منعطف مورد نیاز این نمایشگرها هستند. سنسورهای بکار رفته در رصد بسته بندی‌ها مانند برچسب‌های RFID نیز نیاز به استفاده از منبع انرژی منعطفی دارند که انرژی مورد نیاز آن‌ها را فراهم کند. شرکت Imprint Energy باتری‌های روی-پلیمری را معرفی کرده است که برای اینگونه کاربردها (RFID Tag) استفاده می‌شوند.
سنسور چاپی منعطف MC10
در پایان می‌توان بیان کرد که باتری‌های منعطف علی‌رغم بازار کوچک و تخصصی بدلیل نیاز به ویژگی‌هایی همچون چگالی انرژی بالا، قابلیت تحمل تغییر شکل و ضخامت کم، نیازمند توسعه فناوری‌های خاصی است که اغلب در جریان اصلی صنعت باتری نادیده گرفته شده‌اند و تحقیقات بیشتری را می‌طلبند.
بیشتر بخوانید:
