Hong Kong CityU EES: Bateri fleksibël litium-jon e frymëzuar nga nyjet e njeriut

Historiku i hulumtimit

Kërkesa në rritje për produkte elektronike ka nxitur zhvillimin e shpejtë të pajisjeve të ruajtjes fleksibël dhe me densitet të lartë të energjisë në vitet e fundit. Bateritë fleksibël me jon litium (LIB) me densitet të lartë energjie dhe performancë të qëndrueshme elektrokimike konsiderohen si teknologjia më premtuese e baterive për produktet elektronike të veshura. Megjithëse përdorimi i elektrodave me shtresë të hollë dhe elektrodave të bazuara në polimer përmirëson në mënyrë dramatike fleksibilitetin e LIB-ve, ekzistojnë problemet e mëposhtme:

(1) Shumica e baterive fleksibël grumbullohen nga "elektroda negative ndaj ndarjes së elektrodës" dhe deformueshmëria e tyre e kufizuar dhe rrëshqitja midis pirgjeve me shumë shtresa kufizojnë performancën e përgjithshme të LIB;

(2) Në disa kushte më të rënda, të tilla si palosja, shtrirja, dredha-dredha dhe deformimi kompleks, nuk mund të garantojë performancën e baterisë;

(3) Një pjesë e strategjisë së projektimit injoron deformimin e kolektorit aktual të metalit.

Prandaj, arritja e njëkohshme e këndit të saj të lehtë të përkuljes, mënyrave të shumta të deformimit, qëndrueshmërisë së lartë mekanike dhe densitetit të lartë të energjisë përballet ende me shumë sfida.

Prezantimi

Kohët e fundit, Profesor Chunyi Zhi dhe Dr. Shkencë. Kjo punë u frymëzua nga struktura e nyjeve njerëzore dhe projektoi një lloj LIB fleksibël të ngjashëm me sistemin e kyçeve. Bazuar në këtë dizajn të ri, bateria e përgatitur, fleksibël mund të arrijë densitet të lartë energjie dhe të përkulet apo edhe të paloset në 180°. Në të njëjtën kohë, struktura strukturore mund të ndryshohet përmes metodave të ndryshme të mbështjelljes në mënyrë që LIB-të fleksibël të kenë aftësi të pasura deformimi, të mund të aplikohen në deformime më të rënda dhe komplekse (mbështjellje dhe përdredhje), madje mund të shtrihen, dhe aftësitë e tyre deformuese janë shumë përtej raporteve të mëparshme të LIB-ve fleksibël. Analiza e simulimit të elementeve të fundme konfirmoi se bateria e projektuar në këtë punim nuk do t'i nënshtrohej deformimit plastik të pakthyeshëm të kolektorit metalik aktual nën deformime të ndryshme të ashpra dhe komplekse. Në të njëjtën kohë, bateria e montuar e njësisë katrore mund të arrijë një densitet energjie deri në 371.9 Wh/L, që është 92.9% e baterisë tradicionale të paketimit të butë. Përveç kësaj, ai mund të ruajë performancën e qëndrueshme të ciklit edhe pas më shumë se 200,000 herë përkulje dinamike dhe 25,000 herë shtrembërim dinamik.

Hulumtimet e mëtejshme tregojnë se qeliza njësi cilindrike e montuar mund të përballojë deformime më të rënda dhe komplekse. Pas më shumë se 100,000 shtrirjeve dinamike, 20,000 kthesave dhe 100,000 deformimeve të përkuljes, ai mund të arrijë ende një kapacitet të lartë prej më shumë se 88%—shkalla e mbajtjes. Prandaj, LIB-të fleksibël të propozuara në këtë punim ofrojnë një perspektivë masive për aplikime praktike në elektronikën e veshur.

Pikat kryesore të hulumtimit

1) LIB-të fleksibël, të frymëzuara nga nyjet njerëzore, mund të ruajnë performancën e qëndrueshme të ciklit nën deformimet e përkuljes, përdredhjes, shtrirjes dhe dredha-dredha;

(2) Me një bateri fleksibël katrore, mund të arrijë një densitet energjie deri në 371.9 Wh/L, që është 92.9% e baterisë tradicionale të paketimit të butë;

(3) Metodat e ndryshme të mbështjelljes mund të ndryshojnë formën e pirgut të baterisë dhe t'i japin baterisë deformueshmëri të mjaftueshme.

Udhëzues grafik

Hulumtimet kanë treguar se, përveç sigurimit të densitetit të energjisë së vëllimit të lartë dhe deformimeve më komplekse, dizajni strukturor duhet të shmangë gjithashtu deformimin plastik të kolektorit aktual. Simulimi i elementeve të fundme tregon se metoda më e mirë e kolektorit aktual duhet të jetë parandalimi i kolektorit aktual që të ketë një rreze të vogël përkuljeje gjatë procesit të përkuljes për të shmangur deformimin plastik dhe dëmtimin e pakthyeshëm të kolektorit aktual.

Figura 1a tregon strukturën e nyjeve njerëzore, në të cilat dizajni më i zgjuar i sipërfaqes së lakuar ndihmon nyjet të rrotullohen pa probleme. Bazuar në këtë, Figura 1b tregon një anodë tipike të grafitit/diafragmës/kobaltatit të litiumit (LCO), e cila mund të mbështillet në një strukturë pirg të trashë katrore. Në kryqëzim, ai përbëhet nga dy pirgje të trasha të ngurtë dhe një pjesë fleksibël. Më e rëndësishmja, pirgja e trashë ka një sipërfaqe të lakuar ekuivalente me mbulesën e kockës së kyçit, e cila ndihmon në uljen e presionit dhe siguron kapacitetin parësor të baterisë fleksibël. Pjesa elastike vepron si një ligament, duke lidhur pirgje të trasha dhe duke siguruar fleksibilitet (Figura 1c). Përveç mbështjelljes në një grumbull katror, ​​bateritë me qeliza cilindrike ose trekëndore mund të prodhohen gjithashtu duke ndryshuar metodën e mbështjelljes (Figura 1d). Për LIB-të fleksibël me njësi katrore të ruajtjes së energjisë, segmentet e ndërlidhura do të rrotullohen përgjatë sipërfaqes në formë harku të pirgut të trashë gjatë procesit të përkuljes (Figura 1e), duke rritur ndjeshëm densitetin e energjisë së baterisë fleksibël. Përveç kësaj, përmes kapsulimit elastik të polimerit, LIB-të fleksibël me njësi cilindrike mund të arrijnë vetitë e shtrirjes dhe fleksibilitetit (Figura 1f).

Figura 1 (a) Dizajni i lidhjes unike të ligamentit dhe sipërfaqes së lakuar është thelbësor për të arritur fleksibilitet; (b) Diagrami skematik i strukturës fleksibël të baterisë dhe procesit të prodhimit; (c) kocka korrespondon me pirg elektrodash më të trashë, dhe ligamenti korrespondon me të pambështjellë (D) strukturë fleksibël baterie me qeliza cilindrike dhe trekëndore; (e) Diagrami skematik i grumbullimit të qelizave katrore; (f) Deformimi i shtrirjes së qelizave cilindrike.

Përdorimi i mëtejshëm i analizës së simulimit mekanik konfirmoi stabilitetin e strukturës fleksibël të baterisë. Figura 2a tregon shpërndarjen e stresit të fletës së bakrit dhe aluminit kur përkulen në një cilindër (180° radian). Rezultatet tregojnë se stresi i fletës së bakrit dhe aluminit është shumë më i ulët se forca e tyre rrjedhëse, gjë që tregon se ky deformim nuk do të shkaktojë deformim plastik. Kolektori aktual i metalit mund të shmangë dëmtimin e pakthyeshëm.

Figura 2b tregon shpërndarjen e stresit kur shkalla e përkuljes rritet më tej, dhe stresi i fletës së bakrit dhe fletës së aluminit është gjithashtu më i vogël se forca e tyre përkatëse e rendimentit. Prandaj, struktura mund të përballojë deformimin e palosjes duke ruajtur qëndrueshmëri të mirë. Përveç deformimit të përkuljes, sistemi mund të arrijë një shkallë të caktuar shtrembërimi (Figura 2c).

Për bateritë me njësi cilindrike, për shkak të karakteristikave të qenësishme të rrethit, mund të arrijë deformim më të rëndë dhe kompleks. Prandaj, kur bateria paloset në 180o (Figura 2d, e), shtrihet në rreth 140% të gjatësisë origjinale (Figura 2f) dhe e përdredhur në 90o (Figura 2g), ajo mund të ruajë stabilitetin mekanik. Përveç kësaj, kur përkulja + përdredhja dhe deformimi i mbështjelljes zbatohen veçmas, struktura e projektuar e LIB-ve nuk do të shkaktojë deformim të pakthyeshëm plastik të kolektorit aktual metalik nën deformime të ndryshme të rënda dhe komplekse.

Figura 2 (ac) Rezultatet e simulimit të elementeve të fundme të një qelize katrore nën përkulje, palosje dhe përdredhje; (di) Rezultatet e simulimit të elementeve të fundme të një qelize cilindrike nën përkulje, palosje, shtrirje, përdredhje, përkulje + përdredhje dhe dredha-dredha.

Për të vlerësuar performancën elektrokimike të baterisë fleksibël të projektuar, LiCoO2 u përdor si material katodë për të testuar kapacitetin e shkarkimit dhe stabilitetin e ciklit. Siç tregohet në figurën 3a, kapaciteti i shkarkimit të baterisë me qeliza katrore nuk zvogëlohet ndjeshëm pasi rrafshi deformohet për t'u përkulur, unazuar, palosur dhe përdredhur në zmadhimin 1 C, që do të thotë se deformimi mekanik nuk do të shkaktojë projektimin e bateria fleksibël të jetë elektrokimike Performanca bie. Edhe pas përkuljes dinamike (Figura 3c, d) dhe rrotullimit dinamik (Figura 3e, f), dhe pas një numri të caktuar ciklesh, platforma e karikimit dhe shkarkimit dhe performanca e ciklit të gjatë nuk kanë ndryshime të dukshme, që do të thotë se struktura e brendshme e bateria është e mbrojtur mirë.

Figura 3 (a) Testi i ngarkimit dhe shkarkimit të baterisë së njësisë katrore nën 1C; (b) Kurba e ngarkesës dhe shkarkimit në kushte të ndryshme; (c, d) Nën përkuljen dinamike, performancën e ciklit të baterisë dhe lakoren përkatëse të ngarkimit dhe shkarkimit; (e, f) Nën rrotullim dinamik, performanca e ciklit të baterisë dhe kurba përkatëse ngarkim-shkarkim në cikle të ndryshme.

Rezultatet e analizës së simulimit tregojnë se falë karakteristikave të qenësishme të rrethit, LIB-të fleksibël me elementë cilindrikë mund të përballojnë deformime më ekstreme dhe komplekse. Prandaj, për të demonstruar performancën elektrokimike të LIB-ve fleksibël të njësisë cilindrike, testi u krye me një shpejtësi prej 1 C, i cili tregoi se kur bateria pëson deformime të ndryshme, nuk ka pothuajse asnjë ndryshim në performancën elektrokimike. Deformimi nuk do të shkaktojë ndryshimin e kurbës së tensionit (Figura 4a, b).

Për të vlerësuar më tej stabilitetin elektrokimik dhe qëndrueshmërinë mekanike të baterisë cilindrike, ajo iu nënshtrua një testi dinamik të automatizuar të ngarkesës me një shpejtësi prej 1 C. Hulumtimet tregojnë se pas shtrirjes dinamike (Figura 4c, d), rrotullimi dinamik (Figura 4e, f) , dhe përkulja dinamike + rrotullimi (Figura 4g, h), performanca e ciklit të ngarkimit-shkarkimit të baterisë dhe kurba përkatëse e tensionit nuk preken. Figura 4i tregon performancën e një baterie me një njësi shumëngjyrëshe të ruajtjes së energjisë. Kapaciteti i shkarkimit zvogëlohet nga 133.3 mAm g-1 në 129.9 mAh g-1, dhe humbja e kapacitetit për cikël është vetëm 0.04%, duke treguar se deformimi nuk do të ndikojë në stabilitetin e ciklit dhe kapacitetin e shkarkimit.

Figura 4 (a) Testi i ciklit të ngarkimit dhe shkarkimit të konfigurimeve të ndryshme të qelizave cilindrike në 1 C; (b) Kurbat përkatëse të ngarkimit dhe shkarkimit të baterisë në kushte të ndryshme; (c, d) Performanca e ciklit dhe ngarkimi i baterisë nën tensionin dinamik Kurba e shkarkimit; (e, f) performancën e ciklit të baterisë nën përdredhje dinamike dhe kurbën përkatëse ngarkim-shkarkim në cikle të ndryshme; (g, h) performancën e ciklit të baterisë nën përkulje dinamike + përdredhje dhe kurba përkatëse ngarkim-shkarkim në cikle të ndryshme; (I) Testi i ngarkimit dhe shkarkimit të baterive të njësisë prizmatike me konfigurime të ndryshme në 1 C.

Për të vlerësuar zbatimin e baterisë fleksibël të zhvilluar në praktikë, autori përdor bateri të plota me lloje të ndryshme të njësive të ruajtjes së energjisë për të fuqizuar disa produkte elektronike komerciale, të tilla si kufje, orë inteligjente, mini ventilatorë elektrikë, instrumente kozmetike dhe telefona inteligjentë. Të dyja janë të mjaftueshme për përdorim të përditshëm, mishërojnë plotësisht potencialin e aplikimit të produkteve të ndryshme elektronike fleksibël dhe të veshur.

Figura 5 aplikon baterinë e projektuar për kufje, orë inteligjente, mini ventilatorë elektrikë, pajisje kozmetike dhe telefona inteligjentë. Bateria fleksibël furnizon energji për (a) kufje, (b) orë inteligjente dhe (c) mini ventilatorë elektrikë; (d) furnizon me energji elektrike pajisjet kozmetike; (e) në kushte të ndryshme deformimi, bateria fleksibël furnizon energji për telefonat inteligjentë.

Përmbledhje dhe opinion

Në përmbledhje, ky artikull është frymëzuar nga struktura e nyjeve të njeriut. Ai propozon një metodë unike të projektimit për prodhimin e një baterie fleksibël me densitet të lartë energjie, deformueshmëri të shumëfishtë dhe qëndrueshmëri. Krahasuar me LIB-të fleksibël tradicionalë, ky dizajn i ri mund të shmangë në mënyrë efektive deformimin plastik të kolektorit aktual metalik. Në të njëjtën kohë, sipërfaqet e lakuara të rezervuara në të dy skajet e njësisë së ruajtjes së energjisë të projektuara në këtë punim mund të lehtësojnë në mënyrë efektive stresin lokal të komponentëve të ndërlidhur. Përveç kësaj, metoda të ndryshme të mbështjelljes mund të ndryshojnë formën e pirgut, duke i dhënë baterisë deformueshmëri të mjaftueshme. Bateria fleksibël shfaq stabilitet të shkëlqyer të ciklit dhe qëndrueshmëri mekanike falë dizajnit të ri dhe ka perspektiva të gjera aplikimi në produkte të ndryshme elektronike fleksibël dhe të veshur.

Lidhja e letërsisë

Dizajni strukturor i frymëzuar nga nyjet njerëzore për bateri të përkulshme/të palosshme/të zgjerueshme/të përdredhur: arritja e deformueshmërisë së shumëfishtë. (Mjedisi i Energjisë. Shkencë., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)