Hong Kong CityU EES: Buigsame litiumioonbattery geïnspireer deur menslike gewrigte

Navorsingsagtergrond

Die toenemende vraag na elektroniese produkte het die afgelope jare die vinnige ontwikkeling van buigsame en hoë-energiedigtheid-bergingstoestelle bevorder. Buigsame litiumioonbatterye (LIB's) met 'n hoë energiedigtheid en stabiele elektrochemiese werkverrigting word beskou as die mees belowende batterytegnologie vir draagbare elektroniese produkte. Alhoewel die gebruik van dunfilmelektrodes en polimeergebaseerde elektrodes die buigsaamheid van LIB's dramaties verbeter, is daar die volgende probleme:

(1) Mees buigsame batterye word gestapel deur "negatiewe elektrode-skeier-positiewe elektrode," en hul beperkte vervormbaarheid en gly tussen multilaag stapels beperk die algehele werkverrigting van LIB's;

(2) Onder sommige meer ernstige toestande, soos vou, strek, kronkel en komplekse vervorming, kan dit nie batterywerkverrigting waarborg nie;

(3) Deel van die ontwerpstrategie ignoreer die vervorming van die huidige metaalversamelaar.

Daarom staar die bereiking van sy geringe buighoek, veelvuldige vervormingsmodusse, voortreflike meganiese duursaamheid en hoë energiedigtheid steeds baie uitdagings in die gesig.

Inleiding

Onlangs het professor Chunyi Zhi en dr. Cuiping Han van die City University of Hong Kong 'n referaat gepubliseer met die titel "Human joint inspired structural design for buigbare/voubare/rekbare/draaibare battery: die bereiking van veelvuldige vervormbaarheid" op Energy Environ. Wetenskap. Hierdie werk is geïnspireer deur die struktuur van menslike gewrigte en het 'n soort buigsame LIB's ontwerp wat soortgelyk is aan die gewrigstelsel. Gebaseer op hierdie nuwe ontwerp, kan die voorbereide, buigsame battery hoë energiedigtheid bereik en teen 180° gebuig of selfs gevou word. Terselfdertyd kan die strukturele struktuur deur verskillende wikkelmetodes verander word sodat buigsame LIB's ryk vervormingsvermoëns het, toegepas kan word op meer ernstige en komplekse vervormings (wikkeling en draaiing), en selfs gerek kan word, en hul vervormingsvermoëns is veel verder as vorige verslae van buigsame LIB's. Eindige element simulasie-analise het bevestig dat die battery wat in hierdie vraestel ontwerp is, nie onomkeerbare plastiese vervorming van die huidige metaalversamelaar onder verskeie harde en komplekse vervormings sal ondergaan nie. Terselfdertyd kan die saamgestelde vierkantige eenheidbattery 'n energiedigtheid van tot 371.9 Wh/L bereik, wat 92.9% van die tradisionele sagtepakbattery is. Daarbenewens kan dit stabiele siklusprestasie handhaaf selfs na meer as 200,000 25,000 keer van dinamiese buiging en XNUMX XNUMX keer van dinamiese vervorming.

Verdere navorsing toon dat die saamgestelde silindriese eenheidsel erge en komplekse vervormings kan weerstaan. Na meer as 100,000 20,000 dinamiese strekke, 100,000 88 draaie en XNUMX XNUMX buigdeformasies kan dit steeds 'n hoë kapasiteit van meer as XNUMX%-retensiekoers behaal. Daarom bied die buigsame LIB's wat in hierdie vraestel voorgestel word 'n massiewe vooruitsig vir praktiese toepassings in draagbare elektronika.

Navorsingshoogtepunte

1) Buigsame LIB's, geïnspireer deur menslike gewrigte, kan stabiele siklusprestasie handhaaf onder buig-, draai-, strek- en kronkeldeformasies;

(2) Met 'n vierkantige buigsame battery kan dit 'n energiedigtheid van tot 371.9 Wh/L bereik, wat 92.9% van die tradisionele sagtepakbattery is;

(3) Verskillende wikkelmetodes kan die vorm van die batterystapel verander en die battery voldoende vervormbaarheid gee.

Grafiese gids

Navorsing het getoon dat, benewens om hoë volume energiedigtheid en meer komplekse vervorming te verseker, die strukturele ontwerp ook plastiese vervorming van die stroomkollektor moet vermy. Die eindige element simulasie toon dat die beste metode van die stroomkollektor moet wees om te verhoed dat die stroomkollektor 'n klein buigradius het tydens die buigproses om die plastiese vervorming en onomkeerbare skade van die stroomkollektor te vermy.

Figuur 1a toon die struktuur van die menslike gewrigte, waarin die slim groter geboë oppervlakontwerp die gewrigte help om glad te draai. Op grond hiervan toon Figuur 1b 'n tipiese grafietanode/diafragma/litiumkobaltaat (LCO) anode, wat in 'n vierkantige dik stapelstruktuur gewikkel kan word. By die aansluiting bestaan ​​dit uit twee dik stewige stapels en 'n buigsame deel. Nog belangriker, die dik stapel het 'n geboë oppervlak gelykstaande aan die gewrigsbeenbedekking, wat bufferdruk help en die primêre kapasiteit van die buigsame battery verskaf. Die elastiese deel dien as 'n ligament wat dik stapels verbind en buigsaamheid verskaf (Figuur 1c). Benewens die wikkel in 'n vierkantige stapel, kan batterye met silindriese of driehoekige selle ook vervaardig word deur die wikkelmetode te verander (Figuur 1d). Vir buigsame LIB's met vierkantige energiebergingseenhede, sal die onderling gekoppelde segmente langs die boogvormige oppervlak van die dik stapel rol tydens die buigproses (Figuur 1e), en sodoende die energiedigtheid van die buigsame battery aansienlik verhoog. Daarbenewens kan buigsame LIB's met silindriese eenhede rekbare en buigsame eienskappe bereik deur elastiese polimeer-inkapseling (Figuur 1f).

Figuur 1 (a) Die ontwerp van unieke ligamentverbinding en geboë oppervlak is noodsaaklik om buigsaamheid te verkry; (b) Skematiese diagram van buigsame batterystruktuur en vervaardigingsproses; (c) been stem ooreen met dikker elektrodestapel, en ligament stem ooreen met afgerolde (D) Buigsame batterystruktuur met silindriese en driehoekige selle; (e) Stapel skematiese diagram van vierkantige selle; (f) Strekdeformasie van silindriese selle.

Verdere gebruik van meganiese simulasie-analise het die stabiliteit van die buigsame batterystruktuur bevestig. Figuur 2a toon die spanningsverspreiding van koper- en aluminiumfoelie wanneer dit in 'n silinder gebuig word (180° radiaal). Die resultate toon dat die spanning van koper- en aluminiumfoelie baie laer is as hul vloeisterkte, wat aandui dat hierdie vervorming nie plastiese vervorming sal veroorsaak nie. Die huidige metaalversamelaar kan onomkeerbare skade vermy.

Figuur 2b toon die spanningsverspreiding wanneer die mate van buiging verder verhoog word, en die spanning van koperfoelie en aluminiumfoelie is ook minder as hul ooreenstemmende vloeisterkte. Daarom kan die struktuur vouvervorming weerstaan ​​terwyl dit goeie duursaamheid behou. Benewens buigvervorming, kan die stelsel 'n sekere mate van vervorming bereik (Figuur 2c).

Vir batterye met silindriese eenhede, as gevolg van die inherente eienskappe van die sirkel, kan dit meer ernstige en komplekse vervorming bereik. Wanneer die battery dus tot 180o gevou word (Figuur 2d, e), tot ongeveer 140% van die oorspronklike lengte gestrek word (Figuur 2f), en tot 90o gedraai word (Figuur 2g), kan dit meganiese stabiliteit handhaaf. Daarbenewens, wanneer buig + draai en kronkelvervorming afsonderlik toegepas word, sal die ontwerpte LIBs-struktuur nie onomkeerbare plastiese vervorming van die huidige metaalversamelaar onder verskeie ernstige en komplekse vervormings veroorsaak nie.

Figuur 2 (ac) Eindige element simulasie resultate van 'n vierkantige sel onder buiging, vou en draai; (di) Eindige element simulasie resultate van 'n silindriese sel onder buiging, vou, strek, draai, buig + draai en wikkel.

Om die elektrochemiese werkverrigting van die ontwerpte buigsame battery te evalueer, is LiCoO2 as die katodemateriaal gebruik om die ontladingskapasiteit en siklusstabiliteit te toets. Soos getoon in Figuur 3a, word die ontladingskapasiteit van die battery met vierkantige selle nie aansienlik verminder nadat die vliegtuig vervorm is om te buig, ring, gevou en gedraai teen 1 C vergroting nie, wat beteken dat die meganiese vervorming nie die ontwerp van die buigsame battery om elektrochemies te wees Prestasie daal. Selfs na dinamiese buiging (Figuur 3c, d) en dinamiese torsie (Figuur 3e, f), en na 'n sekere aantal siklusse, het die laai- en ontladingsplatform en langsiklusprestasie geen duidelike veranderinge nie, wat beteken dat die interne struktuur van die battery is goed beskerm.

Figuur 3 (a) Laai- en ontladingstoets van vierkantige eenheidbattery onder 1C; (b) Lading- en ontladingskromme onder verskillende toestande; (c, d) Onder dinamiese buiging, batterysiklusprestasie en ooreenstemmende lading- en ontladingskromme; (e, f) Onder dinamiese torsie, die siklusprestasie van die battery en die ooreenstemmende lading-ontlading-kurwe onder verskillende siklusse.

Die resultate van die simulasie-analise toon dat, danksy die inherente eienskappe van die sirkel, die buigsame LIB's met silindriese elemente meer ekstreme en komplekse vervormings kan weerstaan. Daarom, om die elektrochemiese werkverrigting van die buigsame LIB's van die silindriese eenheid te demonstreer, is die toets uitgevoer teen 'n tempo van 1 C, wat getoon het dat wanneer die battery verskeie vervormings ondergaan, daar byna geen verandering in die elektrochemiese werkverrigting is nie. Die vervorming sal nie veroorsaak dat die spanningskurwe verander nie (Figuur 4a, b).

Om die silindriese battery se elektrochemiese stabiliteit en meganiese duursaamheid verder te evalueer, het dit die battery aan 'n dinamiese outomatiese lastoets teen 'n tempo van 1 C onderwerp. Navorsing toon dat na dinamiese strek (Figuur 4c, d), dinamiese torsie (Figuur 4e, f) , en dinamiese buiging + torsie (Figuur 4g, h), word die batterylaai-ontladingsiklusprestasie en die ooreenstemmende spanningskurwe nie beïnvloed nie. Figuur 4i toon die werkverrigting van 'n battery met 'n kleurvolle energiebergingseenheid. Die ontladingskapasiteit verval van 133.3 mAm g-1 tot 129.9 mAh g-1, en die kapasiteitsverlies per siklus is slegs 0.04%, wat aandui dat vervorming nie sy siklusstabiliteit en ontladingskapasiteit sal beïnvloed nie.

Figuur 4 (a) Lading- en ontladingsiklustoets van verskillende konfigurasies van silindriese selle by 1 C; (b) Ooreenstemmende laai- en ontladingskrommes van die battery onder verskillende toestande; (c, d) Siklusprestasie en lading van die battery onder dinamiese spanning Ontladingskurwe; (e, f) die siklusprestasie van die battery onder dinamiese torsie en die ooreenstemmende lading-ontlading-kurwe onder verskillende siklusse; (g, h) die siklusprestasie van die battery onder dinamiese buiging + torsie en die ooreenstemmende lading-ontlading-kurwe onder verskillende siklusse; (I) Laai- en ontladingstoets van prismatiese eenheidbatterye met verskillende konfigurasies by 1 C.

Om die toepassing van die ontwikkelde buigsame battery in die praktyk te evalueer, gebruik die skrywer vol batterye met verskillende tipes energiebergingseenhede om sommige kommersiële elektroniese produkte aan te dryf, soos oorfone, slimhorlosies, mini elektriese waaiers, kosmetiese instrumente en slimfone. Albei is voldoende vir alledaagse gebruik, beliggaam die toepassingspotensiaal van verskeie buigsame en draagbare elektroniese produkte ten volle.

Figuur 5 pas die ontwerpte battery toe op oorfone, slimhorlosies, mini elektriese waaiers, kosmetiese toerusting en slimfone. Die buigsame battery verskaf krag vir (a) oorfone, (b) slimhorlosies, en (c) mini elektriese waaiers; (d) krag voorsien vir kosmetiese toerusting; (e) onder verskillende vervormingstoestande voorsien die buigsame battery krag vir slimfone.

Opsomming en vooruitsig

Samevattend, hierdie artikel is geïnspireer deur die struktuur van menslike gewrigte. Dit stel 'n unieke ontwerpmetode voor vir die vervaardiging van 'n buigsame battery met hoë energiedigtheid, veelvuldige vervormbaarheid en duursaamheid. In vergelyking met tradisionele buigsame LIB's, kan hierdie nuwe ontwerp die plastiese vervorming van die huidige metaalversamelaar effektief vermy. Terselfdertyd kan die geboë oppervlaktes wat aan beide kante van die energiebergingseenheid wat in hierdie vraestel ontwerp is, die plaaslike spanning van die onderling gekoppelde komponente effektief verlig. Daarbenewens kan verskillende wikkelmetodes die vorm van die stapel verander, wat die battery voldoende vervormbaarheid gee. Die buigsame battery toon uitstekende siklusstabiliteit en meganiese duursaamheid danksy die nuwe ontwerp en het uitgebreide toepassingsvooruitsigte in verskeie buigsame en draagbare elektroniese produkte.

Literatuur skakel

Menslike gewrig-geïnspireerde strukturele ontwerp vir buigbare / opvoubare / rekbare / draaibare battery: die bereiking van veelvuldige vervormbaarheid. (Energie-omgewing. Wetenskap., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)