Hong Kong CityU EES: гнуткая літый-іённая батарэя, натхнёная чалавечымі суставамі

Даследаванні

Рост попыту на электронную прадукцыю ў апошнія гады спрыяў хуткаму развіццю гнуткіх прылад захоўвання дадзеных з высокай шчыльнасцю энергіі. Гнуткія літый-іённыя батарэі (LIB) з высокай шчыльнасцю энергіі і стабільнай электрахімічнай прадукцыйнасцю лічацца найбольш перспектыўнай тэхналогіяй акумулятараў для носных электронных прадуктаў. Нягледзячы на ​​тое, што выкарыстанне тонкаплёнкавых электродаў і электродаў на палімернай аснове значна паляпшае гнуткасць LIB, існуюць наступныя праблемы:

(1) Большасць гнуткіх батарэй складаюцца з дапамогай «адмоўнага электрода-сепаратара-станоўчы электрод», а іх абмежаваная дэфармавальнасць і слізгаценне паміж шматслаёвымі батарэямі абмяжоўваюць агульную прадукцыйнасць LIB;

(2) У некаторых больш цяжкіх умовах, такіх як згортванне, расцяжэнне, намотванне і складаная дэфармацыя, ён не можа гарантаваць прадукцыйнасць батарэі;

(3) Частка стратэгіі праектавання ігнаруе дэфармацыю бягучага металічнага калектара.

Такім чынам, адначасовае дасягненне невялікага вугла выгібу, некалькіх рэжымаў дэфармацыі, высокай механічнай трываласці і высокай шчыльнасці энергіі па-ранейшаму сутыкаецца з мноствам праблем.

Увядзенне

Нядаўна прафесар Чуньі Чжы і доктар Цуйпін Хан з гарадскога ўніверсітэта Ганконга апублікавалі на Energy Environ артыкул пад назвай «Канструкцыя, натхнёная чалавечымі суставамі для гнуткай/складанай/расцягваемай/кручанай батарэі: дасягненні шматразовай дэфармаванасці». навук. Гэтая праца была натхнёная структурай чалавечых суставаў і распрацавала свайго роду гнуткія LIB, падобныя на сістэму суставаў. На аснове гэтай новай канструкцыі падрыхтаваная гнуткая батарэя можа дасягнуць высокай шчыльнасці энергіі і быць сагнутай або нават складзенай на 180°. У той жа час структурная структура можа быць зменена з дапамогай розных метадаў намотвання, так што гнуткія LIB маюць багатыя магчымасці дэфармацыі, могуць прымяняцца да больш сур'ёзных і складаных дэфармацый (намотка і скручванне), і нават могуць быць расцягнуты, і іх здольнасці да дэфармацыі з'яўляюцца далёка за межы папярэдніх паведамленняў аб гнуткіх LIB. Мадэляцыйны аналіз канечных элементаў пацвердзіў, што батарэя, распрацаваная ў гэтым артыкуле, не будзе падвяргацца незваротнай пластычнай дэфармацыі бягучага металічнага калектара пры розных рэзкіх і складаных дэфармацыях. У той жа час сабраная квадратная батарэя можа дасягнуць шчыльнасці энергіі да 371.9 Втг/л, што складае 92.9% ад традыцыйнай батарэі мяккага пакета. Акрамя таго, ён можа падтрымліваць стабільную прадукцыйнасць цыклу нават пасля больш чым 200,000 25,000 раз дынамічнага выгібу і XNUMX XNUMX разоў дынамічнага скажэння.

Далейшыя даследаванні паказваюць, што сабраная цыліндрычная элементарная ячэйка можа вытрымліваць больш сур'ёзныя і складаныя дэфармацыі. Пасля больш чым 100,000 20,000 дынамічных расцяжак, 100,000 88 паваротаў і XNUMX XNUMX дэфармацый выгібу ён усё яшчэ можа дасягнуць высокай магутнасці, якая складае больш за XNUMX% - хуткасці ўтрымання. Такім чынам, гнуткія LIB, прапанаваныя ў гэтым артыкуле, забяспечваюць масіўную перспектыву для практычнага прымянення ў носнай электроніцы.

Асноўныя даследаванні

1) Гнуткія LIB, натхнёныя чалавечымі суставамі, могуць падтрымліваць стабільную прадукцыйнасць цыклу пры дэфармацыях выгібу, скручвання, расцяжэння і намотвання;

(2) З квадратнай гнуткай батарэяй яна можа дасягнуць шчыльнасці энергіі да 371.9 Втг/л, што складае 92.9% ад традыцыйнай батарэі мяккай камплектацыі;

(3) Розныя метады намоткі могуць змяніць форму батарэі і надаць батарэі дастатковую дэфармавальнасць.

Графічны даведнік

Даследаванні паказалі, што ў дадатак да забеспячэння высокай аб'ёмнай шчыльнасці энергіі і больш складанай дэфармацыі, канструкцыя павінна таксама пазбягаць пластычнай дэфармацыі токапрыёмніка. Мадэляванне канечных элементаў паказвае, што лепшым метадам токапрыёмніка павінна быць прадухіленне таго, каб токапрыёмнік меў малы радыус выгібу падчас працэсу выгібу, каб пазбегнуць пластычнай дэфармацыі і незваротнага пашкоджання токапрыёмніка.

На малюнку 1а паказана структура чалавечых суставаў, у якіх разумна большая канструкцыя выгнутай паверхні дапамагае суставам плаўна круціцца. Зыходзячы з гэтага, на малюнку 1b паказаны тыповы анод з графітавага анода/дыяфрагмы/кобальтату літыя (LCO), які можна згарнуць у квадратную тоўстую структуру. На стыку ён складаецца з двух тоўстых жорсткіх штабеляў і гнуткай часткі. Што яшчэ больш важна, тоўстая паверхня мае выгнутую паверхню, эквівалентную вечку косткі сустава, што дапамагае буфернаму ціску і забяспечвае асноўную ёмістасць гнуткай батарэі. Эластычная частка дзейнічае як звязак, злучаючы тоўстыя стэкі і забяспечваючы гнуткасць (малюнак 1в). У дадатак да намотвання ў квадратную кучу, батарэі з цыліндрычнымі або трохкутнымі ячэйкамі таксама могуць быць выраблены шляхам змены спосабу намотвання (малюнак 1d). Для гнуткіх LIB з квадратнымі блокамі назапашвання энергіі злучаныя паміж сабой сегменты будуць каціцца ўздоўж дугападобнай паверхні тоўстага стэка падчас працэсу выгібу (малюнак 1e), тым самым значна павялічваючы шчыльнасць энергіі гнуткай батарэі. Акрамя таго, дзякуючы эластычнай палімернай інкапсуляцыі, гнуткія LIB з цыліндрычнымі блокамі могуць дасягнуць расцягнутых і гнуткіх уласцівасцяў (малюнак 1f).

Малюнак 1 (а) Канструкцыя унікальнага злучэння звязкаў і выгнутай паверхні мае важнае значэнне для дасягнення гнуткасці; (b) Схематычная схема структуры гнуткай батарэі і вытворчага працэсу; (c) костка адпавядае больш тоўстай стэцы электродаў, а звязка адпавядае разгорнутай (D) Гнуткая структура батарэі з цыліндрычнымі і трохкутнымі ячэйкамі; (д) кладка прынцыповая схема квадратных вочак; (f) дэфармацыя расцяжэння цыліндрычных вочак.

Далейшае выкарыстанне аналізу механічнага мадэлявання пацвердзіла стабільнасць гнуткай структуры батарэі. На малюнку 2а паказана размеркаванне напружання медзі і алюмініевай фальгі пры згінанні ў цыліндр (180° радыян). Вынікі паказваюць, што напружанне медзі і алюмініевай фальгі значна ніжэй, чым іх мяжа цякучасці, што сведчыць аб тым, што гэтая дэфармацыя не прывядзе да пластычнай дэфармацыі. Бягучы калектар металу дазваляе пазбегнуць незваротных пашкоджанняў.

На малюнку 2b паказана размеркаванне напружання пры далейшым павелічэнні ступені выгібу, а напружанне меднай фальгі і алюмініевай фальгі таксама менш, чым іх адпаведны мяжа цякучасці. Такім чынам, канструкцыя можа вытрымліваць дэфармацыю згортвання, захоўваючы пры гэтым добрую даўгавечнасць. У дадатак да дэфармацыі выгібу, сістэма можа дасягнуць пэўнай ступені скажэння (малюнак 2в).

Для батарэй з цыліндрычнымі агрэгатамі, дзякуючы уласцівым акружнасці характарыстыках, можна дасягнуць больш сур'ёзнай і складанай дэфармацыі. Такім чынам, калі батарэя складзена на 180o (малюнак 2d, e), расцягнута прыкладна на 140% ад першапачатковай даўжыні (малюнак 2f) і скручана да 90o (малюнак 2g), яна можа падтрымліваць механічную стабільнасць. Акрамя таго, пры паасобным прымяненні дэфармацыі выгіб + скручванне і абмотка распрацаваная структура LIBs не будзе выклікаць незваротную пластычную дэфармацыю токапрыёмніка пры розных цяжкіх і складаных дэфармацыях.

Малюнак 2 (ac) Вынікі мадэлявання канечных элементаў квадратнай ячэйкі пры згінанні, згортванні і скручванні; (di) Вынікі мадэлявання цыліндрычнай ячэйкі цыліндрычнай ячэйкі пры згінанні, згортванні, расцяжэнні, скручванні, згінанні + скручванні і намотцы.

Каб ацаніць электрахімічныя характарыстыкі распрацаванай гнуткай батарэі, LiCoO2 быў выкарыстаны ў якасці катоднага матэрыялу для праверкі ёмістасці разраду і стабільнасці цыклу. Як паказана на малюнку 3a, разрадная ёмістасць батарэі з квадратнымі ячэйкамі істотна не зніжаецца пасля таго, як плоскасць дэфармуецца, каб згінацца, згінацца, згінацца і скручвацца пры павелічэнні 1 С, што азначае, што механічная дэфармацыя не прывядзе да канструкцыі гнуткая батарэя павінна быць электрахімічна Прадукцыйнасць падае. Нават пасля дынамічнага выгібу (малюнак 3c, d) і дынамічнага скручвання (малюнак 3e, f) і пасля пэўнай колькасці цыклаў платформа зарадкі і разрадкі і прадукцыйнасць пры працяглым цыкле не маюць відавочных змен, што азначае, што ўнутраная структура акумулятар добра абаронены.

Малюнак 3 (а) Тэст на зарадку і разраду квадратнай батарэі пры тэмпературы 1С; (б) крывая зарада і разраду ў розных умовах; (c, d) пры дынамічных выгібах прадукцыйнасць цыклу батарэі і адпаведная крывая зарада і разраду; (e, f) Пры дынамічным скручванні, прадукцыйнасць цыклу батарэі і адпаведная крывая зарад-разрад пры розных цыклах.

Вынікі аналізу мадэлявання паказваюць, што дзякуючы уласцівым акружнасці характарыстыках гнуткія LIB з цыліндрычнымі элементамі могуць вытрымліваць больш экстрэмальныя і складаныя дэфармацыі. Такім чынам, каб прадэманстраваць электрахімічныя характарыстыкі гнуткіх LIB цыліндрычнага блока, выпрабаванне было праведзена з хуткасцю 1 С, якое паказала, што пры розных дэфармацыях батарэі электрахімічныя характарыстыкі практычна не змяняюцца. Дэфармацыя не прывядзе да змены крывой напружання (малюнак 4а, б).

Для далейшай ацэнкі электрахімічнай стабільнасці і механічнай трываласці цыліндрычнай батарэі яна падверглася дынамічнаму аўтаматызаванаму выпрабаванню нагрузкай з хуткасцю 1 С. Даследаванні паказваюць, што пасля дынамічнага расцяжэння (малюнак 4в, г) дынамічнае скручванне (малюнак 4д, е) , дынамічны выгіб + скручванне (малюнак 4g, h), прадукцыйнасць цыклу зарад-разрад батарэі і адпаведная крывая напружання не закрануты. На малюнку 4i паказана прадукцыйнасць батарэі з маляўнічым назапашвальнікам энергіі. Разрадная ёмістасць зніжаецца з 133.3 мАм г-1 да 129.9 мАг г-1, а страта ёмістасці за цыкл складае толькі 0.04%, што сведчыць аб тым, што дэфармацыя не паўплывае на стабільнасць цыклу і ёмістасць разраду.

Малюнак 4 (а) Тэст цыкла зарада і разраду розных канфігурацый цыліндрычных элементаў пры тэмпературы 1 С; (b) Адпаведныя крывыя зарада і разраду батарэі ў розных умовах; (c, d) Прадукцыйнасць цыклу і зарад батарэі пры дынамічным напрузе Крывая разраду; (e, f) цыкл працы батарэі пры дынамічным кручэнні і адпаведная крывая зарад-разрад пры розных цыклах; (g, h) цыкл працы батарэі пры дынамічных выгібах + кручэнне і адпаведная крывая зарад-разрад пры розных цыклах; (I) Тэст на зарадку і разрадку прызматычных батарэй розных канфігурацый пры тэмпературы 1 С.

Каб ацаніць прымяненне распрацаванай гнуткай батарэі на практыцы, аўтар выкарыстоўвае поўныя батарэі з рознымі тыпамі назапашвальнікаў энергіі для харчавання некаторых камерцыйных электронных прадуктаў, такіх як навушнікі, смарт-гадзіннік, міні-электрычныя вентылятары, касметычныя інструменты і смартфоны. Абодва дастатковыя для паўсядзённага выкарыстання, у поўнай меры ўвасабляюць патэнцыял прымянення розных гнуткіх і носных электронных прадуктаў.

На малюнку 5 распрацаваная батарэя прымяняецца да навушнікаў, разумных гадзін, міні-электрычных вентылятараў, касметычнага абсталявання і смартфонаў. Гнуткая батарэя забяспечвае харчаванне для (а) навушнікаў, (б) разумных гадзін і (в) міні-электрычных вентылятараў; (d) забяспечвае харчаванне касметычнага абсталявання; (e) пры розных умовах дэфармацыі гнуткая батарэя забяспечвае харчаванне для смартфонаў.

Рэзюмэ і перспектывы

Падводзячы вынік, гэты артыкул натхнёны будовай чалавечых суставаў. Ён прапануе унікальны метад распрацоўкі для вытворчасці гнуткай батарэі з высокай шчыльнасцю энергіі, шматразовай дэфармаванасцю і даўгавечнасцю. У параўнанні з традыцыйнымі гнуткімі LIB, гэтая новая канструкцыя можа эфектыўна пазбегнуць пластычнай дэфармацыі бягучага металічнага калектара. У той жа час выгнутыя паверхні, зарэзерваваныя на абодвух канцах блока назапашвання энергіі, распрацаванага ў гэтым артыкуле, могуць эфектыўна здымаць лакальнае напружанне злучаных паміж сабой кампанентаў. Акрамя таго, розныя спосабы намоткі могуць змяняць форму стэка, надаючы батарэі дастатковую дэфармаванасць. Гнуткая батарэя дэманструе выдатную стабільнасць цыклу і механічную даўгавечнасць дзякуючы новай канструкцыі і мае шырокія перспектывы прымянення ў розных гнуткіх і носных электронных прадуктах.

Спасылка на літаратуру

Натхнёны чалавечымі суставамі структурны дызайн для гнуткай/складанай/расцягваецца/скручанай батарэі: дасягненне шматразовай дэфармаванасці. (Энергетычнае асяроддзе. навук., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)