Hong Kong CityU EES: Prilagodljiva litij-ionska baterija, ki jo navdihujejo človeški sklepi

Ozadje raziskav

Vse večje povpraševanje po elektronskih izdelkih je v zadnjih letih spodbudilo hiter razvoj fleksibilnih naprav za shranjevanje z visoko energijsko gostoto. Fleksibilne litij-ionske baterije (LIB) z visoko energijsko gostoto in stabilno elektrokemično zmogljivostjo veljajo za najbolj obetavno baterijsko tehnologijo za nosljive elektronske izdelke. Čeprav uporaba tankoplastnih elektrod in elektrod na osnovi polimerov dramatično izboljša prožnost LIB-jev, obstajajo naslednje težave:

(1) Večina prilagodljivih baterij je zložena s "pozitivno elektrodo z negativnim ločevalnikom elektrod", njihova omejena deformabilnost in zdrs med večslojnimi skladi pa omejujeta splošno zmogljivost LIB-jev;

(2) V nekaterih težjih pogojih, kot so zlaganje, raztezanje, navijanje in zapletena deformacija, ne more zagotoviti delovanja baterije;

(3) Del strategije načrtovanja ne upošteva deformacije tokovnega kovinskega kolektorja.

Zato se hkratno doseganje rahlega upogibnega kota, več načinov deformacije, vrhunske mehanske vzdržljivosti in visoke gostote energije še vedno sooča s številnimi izzivi.

Predstavitev

Pred kratkim sta profesor Chunyi Zhi in dr. Cuiping Han z mestne univerze v Hongkongu objavila prispevek z naslovom "Strukturna zasnova, ki jo je navdihnil človeški sklep, za upogljivo/zložljivo/raztegljivo/zvojno baterijo: doseganje večkratne deformabilnosti" na Energy Environ. Sci. To delo je bilo navdihnjeno s strukturo človeških sklepov in je zasnovalo nekakšne prožne LIB, podobne sklepnemu sistemu. Na podlagi te nove zasnove lahko pripravljena fleksibilna baterija doseže visoko energijsko gostoto in se upogne ali celo zloži za 180°. Hkrati je mogoče strukturno strukturo spreminjati z različnimi metodami navijanja, tako da imajo fleksibilne LIB-e bogate deformacijske zmožnosti, se lahko uporabljajo za hujše in kompleksne deformacije (navijanje in zvijanje) in se lahko celo raztegnejo, njihove deformacijske sposobnosti pa so daleč od prejšnjih poročil o prilagodljivih LIB. Analiza končnih elementov simulacije je potrdila, da baterija, zasnovana v tem prispevku, ne bi bila podvržena nepopravljivi plastični deformaciji tokovnega kovinskega kolektorja pod različnimi ostrimi in kompleksnimi deformacijami. Hkrati lahko sestavljena baterija kvadratne enote doseže energijsko gostoto do 371.9 Wh/L, kar je 92.9 % tradicionalne mehke baterije. Poleg tega lahko ohrani stabilno delovanje cikla tudi po več kot 200,000-kratnem dinamičnem upogibanju in 25,000-kratnem dinamičnem popačenju.

Nadaljnje raziskave kažejo, da lahko sestavljena cilindrična enotna celica prenese težje in kompleksnejše deformacije. Po več kot 100,000 dinamičnih raztezanjih, 20,000 zavojih in 100,000 upogibnih deformacijah lahko še vedno doseže visoko zmogljivost, več kot 88 % – stopnjo zadrževanja. Zato fleksibilni LIB, predlagani v tem prispevku, ponujajo veliko možnosti za praktične aplikacije v nosljivi elektroniki.

Najpomembnejše raziskave

1) Fleksibilni LIB, ki jih navdihujejo človeški sklepi, lahko ohranjajo stabilno delovanje cikla pri deformacijah upogibanja, zvijanja, raztezanja in navijanja;

(2) S kvadratno fleksibilno baterijo lahko doseže energijsko gostoto do 371.9 Wh/L, kar je 92.9 % tradicionalne mehke baterije;

(3) Različne metode navijanja lahko spremenijo obliko baterije in dajo bateriji zadostno deformabilnost.

Grafični vodnik

Raziskave so pokazale, da se mora pri konstrukcijski zasnovi poleg zagotavljanja visoke prostornine energetske gostote in kompleksnejše deformacije izogibati tudi plastični deformaciji tokovnega kolektorja. Simulacija končnih elementov kaže, da bi morala biti najboljša metoda tokovnega zbiralnika preprečiti, da bi imel tokovni zbiralnik majhen upogibni polmer med postopkom upogibanja, da bi se izognili plastični deformaciji in nepopravljivi poškodbi tokovnega zbiralnika.

Slika 1a prikazuje strukturo človeških sklepov, pri katerih pametno večja ukrivljena površina pomaga, da se sklepi nemoteno vrtijo. Na podlagi tega slika 1b prikazuje tipično grafitno anodo/diafragmo/litijev kobaltat (LCO) anodo, ki jo je mogoče naviti v kvadratno debelo strukturo. Na stičišču je sestavljen iz dveh debelih togih skladov in gibljivega dela. Še pomembneje pa je, da ima debel kup ukrivljeno površino, ki je enakovredna pokrovu sklepne kosti, kar pomaga pri blažilnem tlaku in zagotavlja primarno zmogljivost fleksibilne baterije. Elastični del deluje kot vez, ki povezuje debele kupe in zagotavlja prožnost (slika 1c). Poleg navijanja v kvadratni kup lahko izdelujemo baterije s cilindričnimi ali trikotnimi celicami tudi s spremembo načina navijanja (slika 1d). Za fleksibilne LIB s kvadratnimi enotami za shranjevanje energije se bodo med procesom upogibanja med seboj povezani segmenti kotalili vzdolž ločne površine debelega sklada (slika 1e), s čimer se znatno poveča energijska gostota fleksibilne baterije. Poleg tega lahko z elastično polimerno inkapsulacijo fleksibilni LIB s cilindričnimi enotami dosežejo raztegljive in prožne lastnosti (slika 1f).

Slika 1 (a) Zasnova edinstvene povezave ligamentov in ukrivljene površine je bistvenega pomena za doseganje prožnosti; (b) Shematski diagram prilagodljive strukture baterije in proizvodnega procesa; (c) kost ustreza debelejšemu nizu elektrod, ligament pa odvit (D) Fleksibilna struktura baterije s cilindričnimi in trikotnimi celicami; (e) shematski diagram zlaganja kvadratnih celic; (f) Raztezna deformacija cilindričnih celic.

Nadaljnja uporaba mehanske simulacijske analize je potrdila stabilnost fleksibilne strukture baterije. Slika 2a prikazuje porazdelitev napetosti bakrene in aluminijaste folije, ko je upognjena v cilinder (180° radian). Rezultati kažejo, da je napetost bakrene in aluminijaste folije veliko nižja od njune meje tečenja, kar kaže, da ta deformacija ne bo povzročila plastične deformacije. Trenutni zbiralnik kovin se lahko izogne ​​nepopravljivim poškodbam.

Slika 2b prikazuje porazdelitev napetosti, ko se stopnja upogiba še poveča, napetost bakrene folije in aluminijaste folije pa je prav tako manjša od njune ustrezne meje tečenja. Zato lahko struktura prenese deformacijo zlaganja, hkrati pa ohranja dobro vzdržljivost. Poleg upogibne deformacije lahko sistem doseže določeno stopnjo popačenja (slika 2c).

Pri baterijah s cilindričnimi enotami lahko zaradi značilnih lastnosti kroga doseže hujše in kompleksnejše deformacije. Ko je torej baterija prepognjena na 180o (slika 2d, e), raztegnjena na približno 140 % prvotne dolžine (slika 2f) in zasukana na 90o (slika 2g), lahko ohrani mehansko stabilnost. Poleg tega, ko se deformacija upogibanja + zvijanja in navijanja uporablja ločeno, zasnovana struktura LIBs ne bo povzročila nepopravljive plastične deformacije tokovnega kovinskega kolektorja pod različnimi hudimi in zapletenimi deformacijami.

Slika 2 (ac) Rezultati simulacije končnih elementov kvadratne celice pri upogibanju, prepogibanju in zvijanju; (di) Rezultati simulacije končnih elementov cilindrične celice pri upogibanju, prepogibanju, raztezanju, zvijanju, upogibanju + zvijanju in navijanju.

Za oceno elektrokemične učinkovitosti zasnovane fleksibilne baterije je bil LiCoO2 uporabljen kot katodni material za testiranje zmogljivosti praznjenja in stabilnosti cikla. Kot je prikazano na sliki 3a, se zmogljivost praznjenja baterije s kvadratnimi celicami ne zmanjša bistveno po tem, ko je ravnina deformirana, da bi se upognila, obročkala, zložila in zvila pri povečavi 1 C, kar pomeni, da mehanska deformacija ne bo povzročila oblikovanja fleksibilna baterija je elektrokemično Učinkovitost pade. Tudi po dinamičnem upogibanju (slika 3c, d) in dinamični torziji (slika 3e, f) ter po določenem številu ciklov se platforma za polnjenje in praznjenje ter dolgociklična zmogljivost nimata vidnih sprememb, kar pomeni, da notranja struktura baterija je dobro zaščitena.

Slika 3 (a) Preskus polnjenja in praznjenja baterije kvadratne enote pod 1C; (b) krivulja polnjenja in praznjenja pod različnimi pogoji; (c, d) pri dinamičnem upogibanju zmogljivost cikla baterije in ustrezna krivulja polnjenja in praznjenja; (e, f) Pri dinamični torziji ciklična zmogljivost baterije in ustrezna krivulja polnjenja-praznjenja pri različnih ciklih.

Rezultati simulacijske analize kažejo, da lahko zaradi lastnih značilnosti kroga fleksibilni LIB z cilindričnimi elementi prenesejo ekstremnejše in kompleksnejše deformacije. Zato je bil za prikaz elektrokemijske učinkovitosti fleksibilnih LIB-jev cilindrične enote opravljen test s hitrostjo 1 C, ki je pokazal, da se pri različnih deformacijah baterije skoraj ne spremeni elektrokemijska zmogljivost. Deformacija ne bo povzročila spremembe krivulje napetosti (slika 4a, b).

Za nadaljnjo oceno elektrokemične stabilnosti in mehanske vzdržljivosti cilindrične baterije je baterijo podvrgel dinamičnemu avtomatskemu testu obremenitve s hitrostjo 1 C. Raziskave kažejo, da se po dinamičnem raztezanju (slika 4c, d) dinamična torzija (slika 4e, f) , in dinamično upogibanje + torzija (slika 4g, h), to ne vpliva na zmogljivost cikla polnjenja in praznjenja baterije in ustrezna krivulja napetosti. Slika 4i prikazuje zmogljivost baterije s pisano enoto za shranjevanje energije. Zmogljivost praznjenja se zmanjša s 133.3 mAm g-1 na 129.9 mAh g-1, izguba zmogljivosti na cikel pa je le 0.04 %, kar kaže, da deformacija ne bo vplivala na stabilnost cikla in zmogljivost praznjenja.

Slika 4 (a) Preskus cikla polnjenja in praznjenja različnih konfiguracij cilindričnih celic pri 1 C; (b) ustrezne krivulje polnjenja in praznjenja baterije v različnih pogojih; (c, d) Zmogljivost cikla in polnjenje baterije pri dinamični napetosti Krivulja praznjenja; (e, f) ciklično delovanje baterije pri dinamični torziji in ustrezna krivulja polnjenja-praznjenja pri različnih ciklih; (g, h) ciklično delovanje baterije pri dinamičnem upogibanju + torzija in ustrezna krivulja polnjenja-praznjenja pri različnih ciklih; (I) Preskus polnjenja in praznjenja baterij prizmatične enote z različnimi konfiguracijami pri 1 C.

Za oceno uporabe razvite fleksibilne baterije v praksi avtor uporablja polne baterije z različnimi vrstami enot za shranjevanje energije za napajanje nekaterih komercialnih elektronskih izdelkov, kot so slušalke, pametne ure, mini električni ventilatorji, kozmetični instrumenti in pametni telefoni. Oboje zadostuje za vsakodnevno uporabo, v celoti uteleša uporabni potencial različnih prilagodljivih in nosljivih elektronskih izdelkov.

Slika 5 uporablja zasnovano baterijo za slušalke, pametne ure, mini električne ventilatorje, kozmetično opremo in pametne telefone. Prilagodljiva baterija napaja (a) slušalke, (b) pametne ure in (c) mini električne ventilatorje; (d) napaja kozmetično opremo; (e) pod različnimi pogoji deformacije prilagodljiva baterija napaja pametne telefone.

Povzetek in obeti

Če povzamemo, ta članek se zgleduje po zgradbi človeških sklepov. Predlaga edinstveno metodo oblikovanja za izdelavo fleksibilne baterije z visoko energijsko gostoto, večkratno deformabilnostjo in vzdržljivostjo. V primerjavi s tradicionalnimi fleksibilnimi LIB-ji se lahko ta nova oblika učinkovito izogne ​​plastični deformaciji trenutnega kovinskega zbiralnika. Hkrati lahko ukrivljene površine, rezervirane na obeh koncih enote za shranjevanje energije, zasnovane v tem prispevku, učinkovito razbremenijo lokalno napetost med seboj povezanih komponent. Poleg tega lahko različne metode navijanja spremenijo obliko sklada, kar daje bateriji zadostno deformabilnost. Prilagodljiva baterija izkazuje odlično stabilnost cikla in mehansko vzdržljivost zahvaljujoč novemu dizajnu in ima široke možnosti uporabe v različnih prilagodljivih in nosljivih elektronskih izdelkih.

Povezava za literaturo

Konstrukcijska zasnova, ki jo navdihuje človeški sklep, za upogljivo/zložljivo/raztegljivo/zvojno baterijo: doseganje večkratne deformabilnosti. (Energijsko okolje. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)