Hong Kong CityU EES: Флексибилна литиум-јонска батерија инспирирана од човечки зглобови

Позадина на истражувањето

Зголемената побарувачка за електронски производи го промовираше брзиот развој на флексибилни уреди за складирање со висока густина на енергија во последниве години. Флексибилни литиум-јонски батерии (LIB) со висока енергетска густина и стабилни електрохемиски перформанси се сметаат за најперспективна технологија за батерии за електронски производи што се носат. Иако употребата на електроди со тенок филм и електроди базирани на полимер драматично ја подобрува флексибилноста на LIB, постојат следниве проблеми:

(1) Повеќето флексибилни батерии се наредени со „електрода позитивна за сепаратор на негативна електрода“, а нивната ограничена деформабилност и лизгање помеѓу повеќеслојните стекови ги ограничуваат севкупните перформанси на LIB;

(2) Под некои потешки услови, како што се преклопување, истегнување, намотување и сложена деформација, не може да гарантира перформанси на батеријата;

(3) Дел од дизајнерската стратегија ја игнорира деформацијата на тековниот метален колектор.

Затоа, истовремено постигнувањето на неговиот мал агол на свиткување, повеќекратните начини на деформација, супериорната механичка издржливост и високата енергетска густина сè уште се соочува со многу предизвици.

Вовед

Неодамна, професорот Чуни Жи и д-р Куипинг Хан од Градскиот универзитет во Хонг Конг објавија труд со наслов „Структурен дизајн инспириран од човечки зглобови за свитлива/преклопна/растеглива/витлива батерија: постигнување повеќекратна деформабилност“ на Energy Environ. Sci. Ова дело беше инспирирано од структурата на човечките зглобови и дизајнираше еден вид флексибилни LIB слични на зглобниот систем. Врз основа на овој нов дизајн, подготвената, флексибилна батерија може да постигне висока енергетска густина и да се свитка или дури да се превиткува на 180°. Во исто време, структурната структура може да се менува преку различни методи на намотување, така што флексибилните LIB имаат богати деформациски способности, може да се применат на потешки и сложени деформации (намотување и извиткување), па дури и да се истегнуваат, а нивните деформациони способности се далеку над претходните извештаи за флексибилни ЛИБ. Симулациската анализа на конечни елементи потврди дека батеријата дизајнирана во овој труд нема да претрпи неповратна пластична деформација на тековниот метален колектор при различни груби и сложени деформации. Во исто време, собраната квадратна единица батерија може да постигне густина на енергија до 371.9 Wh/L, што е 92.9% од традиционалната мека батерија. Покрај тоа, може да одржува стабилни перформанси на циклусот дури и по повеќе од 200,000 пати динамично свиткување и 25,000 пати динамично изобличување.

Понатамошните истражувања покажуваат дека составената цилиндрична единица ќелија може да издржи потешки и сложени деформации. По повеќе од 100,000 динамични истегнувања, 20,000 пресврти и 100,000 деформации на свиткување, сè уште може да постигне висок капацитет од повеќе од 88% - стапка на задржување. Затоа, флексибилните LIB предложени во овој труд обезбедуваат огромна перспектива за практични апликации во електрониката што може да се носи.

Истакнувања за истражување

1) Флексибилните LIB, инспирирани од човечки зглобови, можат да одржуваат стабилни перформанси на циклусот при деформации на свиткување, извртување, истегнување и намотување;

(2) Со квадратна флексибилна батерија, може да постигне густина на енергија до 371.9 Wh/L, што е 92.9% од традиционалната мека батерија;

(3) Различните методи на намотување може да го променат обликот на батерискиот куп и да и дадат на батеријата доволна деформабилност.

Графички водич

Истражувањата покажаа дека, покрај обезбедувањето голема волуменска густина на енергија и покомплексна деформација, структурниот дизајн мора да избегне и пластична деформација на струјниот колектор. Симулацијата на конечни елементи покажува дека најдобриот метод на струјниот колектор треба да биде да се спречи струјниот колектор да има мал радиус на свиткување за време на процесот на свиткување за да се избегне пластична деформација и неповратно оштетување на струјниот колектор.

Слика 1а ја прикажува структурата на човечките зглобови, во кои умно поголемата заоблена површина дизајн им помага на зглобовите да се ротираат непречено. Врз основа на ова, на Слика 1б е прикажана типична графитна анода/дијафрагма/литиум кобалтат (LCO) анода, која може да се навие во квадратна структура на оџак. На раскрсницата се состои од два дебели крути стекови и флексибилен дел. Што е уште поважно, дебелиот оџак има заоблена површина еквивалентна на обвивката на зглобната коска, која помага во тампон притисокот и обезбедува примарен капацитет на флексибилната батерија. Еластичниот дел делува како лигамент, поврзувајќи ги дебели стеги и обезбедувајќи флексибилност (Слика 1в). Покрај намотување во квадратен куп, може да се произведуваат и батерии со цилиндрични или триаголни ќелии со промена на методот на намотување (Слика 1г). За флексибилни LIB со квадратни единици за складирање енергија, меѓусебно поврзаните сегменти ќе се тркалаат по површината во облик на лак на дебелиот оџак за време на процесот на свиткување (слика 1e), со што значително ќе се зголеми енергетската густина на флексибилната батерија. Дополнително, преку еластична полимерна инкапсулација, флексибилните LIB со цилиндрични единици можат да постигнат растегливи и флексибилни својства (Слика 1ѓ).

Слика 1 (а) Дизајнот на единствена врска со лигаментите и заоблената површина е од суштинско значење за да се постигне флексибилност; (б) Шематски дијаграм на флексибилна структура на батерии и процес на производство; (в) коската одговара на подебелиот оџак електрода, а лигаментот одговара на одмотана (D) Флексибилна структура на батеријата со цилиндрични и триаголни ќелии; (д) Шематски дијаграм за редење на квадратни ќелии; (ѓ) Растегнувачка деформација на цилиндричните ќелии.

Понатамошната употреба на механичка симулациска анализа ја потврди стабилноста на флексибилната структура на батеријата. Слика 2а ја прикажува распределбата на напрегањето на бакарната и алуминиумската фолија кога се свиткани во цилиндар (180° радијан). Резултатите покажуваат дека напрегањето на бакарната и алуминиумската фолија е многу помало од нивната отпорност, што укажува дека оваа деформација нема да предизвика пластична деформација. Тековниот метален колектор може да избегне неповратно оштетување.

Слика 2б ја прикажува распределбата на напрегањето кога степенот на свиткување е дополнително зголемен, а напрегањето на бакарната фолија и алуминиумската фолија е исто така помало од нивната соодветна цврстина на отстапување. Затоа, структурата може да издржи преклопна деформација додека одржува добра издржливост. Покрај деформацијата на свиткување, системот може да постигне одреден степен на изобличување (Слика 2в).

За батерии со цилиндрични единици, поради вродените карактеристики на кругот, може да постигне потешка и сложена деформација. Затоа, кога батеријата е преклопена на 180o (слика 2г, д), растегната до околу 140% од оригиналната должина (слика 2ѓ) и извиткана до 90o (слика 2г), може да одржува механичка стабилност. Дополнително, кога свиткување + извртување и деформација на намотување се применуваат одделно, дизајнираната структура на LIB нема да предизвика неповратна пластична деформација на тековниот метален колектор при различни тешки и сложени деформации.

Слика 2 (ац) Резултати од симулација на конечни елементи на квадратна ќелија под виткање, превиткување и извртување; (ди) Резултати од симулација на конечни елементи на цилиндрична ќелија под свиткување, преклопување, истегнување, извртување, виткање + извртување и намотување.

За да се процени електрохемиската изведба на дизајнираната флексибилна батерија, LiCoO2 беше искористен како катоден материјал за тестирање на капацитетот на празнење и стабилноста на циклусот. Како што е прикажано на Слика 3а, капацитетот за празнење на батеријата со квадратни ќелии не е значително намален откако рамнината се деформира за да се свитка, ѕвоне, преклопи и извитка при зголемување од 1 C, што значи дека механичката деформација нема да предизвика дизајн на флексибилната батерија да биде електрохемиски Перформансите паѓаат. Дури и по динамичко свиткување (слика 3в, г) и динамичка торзија (слика 3д, ѓ), и по одреден број циклуси, платформата за полнење и празнење и перформансите на долг циклус немаат очигледни промени, што значи дека внатрешната структура на батеријата е добро заштитена.

Слика 3 (а) Тест за полнење и празнење на квадратна единица батерија под 1C; (б) Крива на полнење и празнење под различни услови; (в, г) При динамично свиткување, перформанси на циклусот на батеријата и соодветна крива на полнење и празнење; (д, ѓ) При динамична торзија, перформансите на циклусот на батеријата и соодветната крива на полнење-празнење при различни циклуси.

Резултатите од симулациската анализа покажуваат дека благодарение на вродените карактеристики на кругот, флексибилните LIB со цилиндрични елементи можат да издржат поекстремни и сложени деформации. Затоа, за да се демонстрираат електрохемиските перформанси на флексибилните LIB на цилиндричната единица, тестот беше спроведен со брзина од 1 C, што покажа дека кога батеријата претрпува различни деформации, речиси и да нема промена во електрохемиските перформанси. Деформацијата нема да предизвика промена на кривата на напонот (Слика 4а, б).

За понатамошна проценка на електрохемиската стабилност и механичката издржливост на цилиндричната батерија, таа ја подложила батеријата на динамично автоматско оптоварување со брзина од 1 C. Истражувањата покажуваат дека по динамичкото истегнување (слика 4в, г), динамична торзија (слика 4e, f) , и динамичкото свиткување + торзија (слика 4g, h), перформансите на циклусот полнење-празнење на батеријата и соодветната крива на напон не се засегнати. Слика 4i ги прикажува перформансите на батеријата со шарена единица за складирање енергија. Капацитетот на празнење се намалува од 133.3 mAm g-1 на 129.9 mAh g-1, а загубата на капацитет по циклус е само 0.04%, што покажува дека деформацијата нема да влијае на неговата стабилност на циклусот и капацитетот на празнење.

Слика 4 (а) Тест на циклус на полнење и празнење на различни конфигурации на цилиндрични ќелии на 1 C; (б) Соодветни криви на полнење и празнење на батеријата под различни услови; (в, г) Изведба на циклус и полнење на батеријата под динамична напнатост Крива на празнење; (д, ѓ) перформансите на циклусот на батеријата при динамична торзија и соодветната крива на полнење-празнење при различни циклуси; (е, ж) перформансите на циклусот на батеријата при динамично свиткување + торзија и соодветната крива на полнење-празнење при различни циклуси; (I) Тест за полнење и празнење на призматични батерии со различни конфигурации на 1 C.

За да ја оцени примената на развиената флексибилна батерија во пракса, авторот користи полни батерии со различни типови единици за складирање енергија за напојување на некои комерцијални електронски производи, како што се слушалки, паметни часовници, мини електрични вентилатори, козметички инструменти и паметни телефони. И двете се доволни за секојдневна употреба, целосно го отелотворуваат потенцијалот за примена на различни флексибилни и носливи електронски производи.

Слика 5 ја применува дизајнираната батерија на слушалки, паметни часовници, мини електрични вентилатори, козметичка опрема и паметни телефони. Флексибилната батерија обезбедува енергија за (а) слушалки, (б) паметни часовници и (в) мини електрични вентилатори; (г) снабдува електрична енергија за козметичка опрема; (д) при различни услови на деформација, флексибилната батерија обезбедува енергија за паметните телефони.

Резиме и изглед

Накратко, овој напис е инспириран од структурата на човечките зглобови. Тој предлага уникатен дизајн метод за производство на флексибилна батерија со висока енергетска густина, повеќекратна деформабилност и издржливост. Во споредба со традиционалните флексибилни LIB, овој нов дизајн може ефективно да ја избегне пластичната деформација на сегашниот метален колектор. Во исто време, заоблените површини резервирани на двата краја на единицата за складирање енергија дизајнирана во овој труд можат ефикасно да го намалат локалниот стрес на меѓусебно поврзаните компоненти. Дополнително, различните методи на намотување можат да го променат обликот на оџакот, давајќи ѝ на батеријата доволна деформабилност. Флексибилната батерија покажува одлична стабилност на циклусот и механичка издржливост благодарение на новиот дизајн и има широки можности за примена во различни флексибилни и носливи електронски производи.

Врска за литература

Структурен дизајн инспириран од човечки зглобови за свитлива/преклоплива/растеглива/витлива батерија: постигнување повеќекратна деформабилност. (Енергетска околина. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)