Esnek batarya teknolojileri, hidrojel elektrolit yenilikleriyle birlikte Li ion pillerin giyilebilir cihazlar ve yumuşak robot uygulamalarında kullanılabilmesinin önünü açıyor. Bu alanda öncü bir çalışma, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Kampüsü’nden araştırmacılar tarafından geliştirilen, esnek, toksik olmayan ve jöle kıvamında bir batarya formülü ortaya koyuyor. Akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar geniş bir kullanım alanı bulunan Li ion bataryalar, geleneksel olarak sert ve sızdırmaz muhafazalar içinde paketleniyor. Bu yapı, pilin iç bileşenlerini mekanik streslerden korurken, patlayıcı ve zehirli elektrolitlerle havanın temasını kesiyor. Ancak yumuşak robotlar ve giyilebilir teknolojilerde bu sert muhafazalar esneklik ihtiyacını karşılayamıyor.
UC Berkeley ekibi, bu ihtiyaca cevap olarak geliştirdikleri esnek bataryayı önceki hidrojel elektrolitli bataryaların sınırlamalarından arındırmayı başardı. Daha önce yapılan denemelerde, hidrojel elektrolitlerin çalışma süreleri yalnızca birkaç saat ile birkaç gün arasında kalıyor pil voltajı 1,2 volttan yukarı çıktığında suyun ayrışması nedeniyle güvenlik riski artıyordu. Araştırmanın eş sorumlusu ve Sensör ve Aktüatör Merkezi’nden doktora öğrencisi Peisheng He, “Günümüz pil teknolojisi 3,3 voltta çalışıyor. Bu nedenle stabil çalışma penceresinin en az 4 volt olması gerekiyor. Su bazlı hidrojel elektrolitler suyun elektrolize olduğu 1,2 voltta sınırlandırılıyordu" diyor.
Araştırma ekibi, hidrojelin su oranını düşürüp, suyu havadan çekerek kararlı bir yapı oluşturmak amacıyla tuzlu su yerine flor içermeyen lityum tuzu tercih etti. Polimer ağı olarak zıt yük taşıyan “zwitterionik" yapıya sahip bir molekül seçildi. Bu polimer, su moleküllerini hidrojen bağlarıyla sıkı şekilde tutarken, lityum iyonlarını serbest bırakacak şekilde negatif yüklü bölgeler sağladı. Akrilik asit ise ağın çapraz bağlarını kurdu. Ortaya çıkan hidrojel, %19 su içeriğiyle oda koşullarında (%50 bağıl nem) dengede kaldı ve 3,1 voltu aşan gerilimlerde bile suyun parçalanmasını önledi.
Elektrik devresi ve LED ışıklar içeren bir prototip batarya, kapalı paket gerektirmeden bir ay boyunca kesintisiz çalıştı. Batarya 500 tam şarj döngüsüne dayanıklılık gösterdi bu, modern akıllı telefon bataryalarıyla eşdeğer bir performans. Araştırma ekibi, bataryayı 180 derece bükme, iğne ile delme ve jilet ile kesme testlerine tabi tuttu. Kesikten sonra parça tekrar birleştirildiğinde ve hafifçe ısıtıldığında batarya kapasitesinin %90’ı geri kazanıldı.
Bataryanın enerji yoğunluğu, ticari pillerin onda biri düzeyinde kalsa da, ekibin asıl hedefi giyilebilir teknolojilerde pilin cihazın gövdesi veya kayışı haline gelmesi. Liwei Lin ve Peisheng He liderliğindeki bu çalışma, kesintisiz esneklik ve yüksek voltaj dengesini bir arada sunması açısından önemli bir kilometre taşı olarak değerlendiriliyor. Geliştirme sürecinde enerji yoğunluğunu artırma ve döngüsel verimliliği yükseltme yönünde çalışmaların sürdüğü belirtiliyor. Elde edilen sonuçlar, Science Advances dergisinde yayımlanan makalede ayrıntılı şekilde yer alıyor.