Hong Kong CityU EES: Fleksibilna litij-ionska baterija inspirirana ljudskim zglobovima

Pozadina istraživanja

Sve veća potražnja za elektroničkim proizvodima posljednjih je godina potaknula brzi razvoj fleksibilnih uređaja za pohranu visoke gustoće energije. Fleksibilne litij-ionske baterije (LIB) s visokom gustoćom energije i stabilnim elektrokemijskim učinkom smatraju se najperspektivnijom baterijskom tehnologijom za nosive elektroničke proizvode. Iako upotreba tankoslojnih elektroda i elektroda na bazi polimera dramatično poboljšava fleksibilnost LIB-ova, postoje sljedeći problemi:

(1) Većina fleksibilnih baterija složena je "negativna elektroda-separator-pozitivna elektroda", a njihova ograničena deformabilnost i klizanje između višeslojnih snopova ograničavaju ukupnu izvedbu LIB-ova;

(2) U nekim težim uvjetima, kao što su preklapanje, rastezanje, namotavanje i složena deformacija, ne može jamčiti performanse baterije;

(3) Dio strategije projektiranja zanemaruje deformaciju strujnog metalnog kolektora.

Stoga, istovremeno postizanje blagog kuta savijanja, višestrukih načina deformacije, vrhunske mehaničke izdržljivosti i visoke gustoće energije i dalje se suočava s mnogim izazovima.

Uvod

Nedavno su profesor Chunyi Zhi i dr. Cuiping Han s Gradskog sveučilišta u Hong Kongu objavili rad pod naslovom "Strukturni dizajn inspiriran ljudskim zglobovima za savitljivu/sklopivu/rastezljivu/uvrtljivu bateriju: postizanje višestruke deformabilnosti" na Energy Environu. Sci. Ovaj rad je inspiriran strukturom ljudskih zglobova i dizajnirao je neku vrstu fleksibilnih LIB-ova sličnih zglobnom sustavu. Na temelju ovog novog dizajna, pripremljena, fleksibilna baterija može postići visoku gustoću energije i biti savijena ili čak presavijena za 180°. Istodobno, strukturna struktura može se mijenjati različitim metodama namotavanja tako da fleksibilni LIB imaju bogate mogućnosti deformacije, mogu se primijeniti na teže i složenije deformacije (namotavanje i uvijanje), pa čak i rastegnuti, a njihove sposobnosti deformacije su daleko iznad prethodnih izvješća o fleksibilnim LIB-ovima. Simulacijskom analizom konačnih elemenata potvrđeno je da baterija dizajnirana u ovom radu neće doživjeti nepovratnu plastičnu deformaciju strujnog metalnog kolektora pod različitim oštrim i složenim deformacijama. Istodobno, sklopljena četvrtasta baterija može postići gustoću energije do 371.9 Wh/L, što je 92.9% tradicionalne soft pack baterije. Osim toga, može održati stabilne performanse ciklusa čak i nakon više od 200,000 puta dinamičkog savijanja i 25,000 puta dinamičkog izobličenja.

Daljnja istraživanja pokazuju da sastavljena cilindrična jedinična ćelija može izdržati teže i složenije deformacije. Nakon više od 100,000 dinamičkih istezanja, 20,000 uvijanja i 100,000 deformacija savijanja, još uvijek može postići visoki kapacitet od više od 88% – stopu zadržavanja. Stoga, fleksibilni LIB-ovi predloženi u ovom radu pružaju veliku perspektivu za praktičnu primjenu u nosivoj elektronici.

Istaknuta istraživanja

1) Fleksibilni LIB, inspirirani ljudskim zglobovima, mogu održavati stabilne performanse ciklusa pod deformacijama savijanja, uvijanja, istezanja i namotavanja;

(2) S četvrtastom fleksibilnom baterijom može postići gustoću energije do 371.9 Wh/L, što je 92.9% tradicionalne soft-pack baterije;

(3) Različite metode namotavanja mogu promijeniti oblik snopa baterija i dati bateriji dovoljnu deformabilnost.

Grafički vodič

Istraživanja su pokazala da, osim osiguravanja velike volumne gustoće energije i složenije deformacije, konstrukcijski dizajn mora izbjeći i plastičnu deformaciju strujnog kolektora. Simulacija konačnih elemenata pokazuje da bi najbolja metoda strujnog kolektora trebala biti spriječiti da strujni kolektor ima mali radijus savijanja tijekom procesa savijanja kako bi se izbjegla plastična deformacija i nepovratna oštećenja strujnog kolektora.

Slika 1a prikazuje strukturu ljudskih zglobova, u kojoj pametno veći dizajn zakrivljene površine pomaže zglobovima da se glatko rotiraju. Na temelju toga, slika 1b prikazuje tipičnu grafitnu anodu/dijafragmu/litij kobaltat (LCO) anodu, koja se može namotati u četvrtastu strukturu debljeg sloja. Na spoju se sastoji od dva debela kruta hrpa i fleksibilnog dijela. Što je još važnije, debela gomila ima zakrivljenu površinu koja je jednaka poklopcu zglobne kosti, što pomaže pri pritisku pufera i osigurava primarni kapacitet fleksibilne baterije. Elastični dio djeluje kao ligament, povezuje debele hrpe i pruža fleksibilnost (slika 1c). Osim namatanja u četvrtastu hrpu, baterije s cilindričnim ili trokutastim ćelijama mogu se proizvoditi i promjenom načina namotavanja (slika 1d). Za fleksibilne LIB-ove s kvadratnim jedinicama za pohranu energije, međusobno povezani segmenti će se kotrljati duž površine u obliku luka debele hrpe tijekom procesa savijanja (slika 1e), čime se značajno povećava gustoća energije fleksibilne baterije. Osim toga, elastičnom polimernom enkapsulacijom, fleksibilni LIB-ovi s cilindričnim jedinicama mogu postići rastezljiva i fleksibilna svojstva (slika 1f).

Slika 1 (a) Dizajn jedinstvene veze ligamenta i zakrivljene površine ključan je za postizanje fleksibilnosti; (b) Shematski dijagram fleksibilne strukture baterije i proizvodnog procesa; (c) kost odgovara debljem snopu elektroda, a ligament odmotanom (D) Fleksibilna struktura baterije s cilindričnim i trokutastim stanicama; (e) Shematski dijagram slaganja četvrtastih ćelija; (f) Deformacija istezanja cilindričnih ćelija.

Daljnja uporaba mehaničke simulacijske analize potvrdila je stabilnost fleksibilne strukture baterije. Slika 2a prikazuje raspodjelu naprezanja bakrene i aluminijske folije kada je savijena u cilindar (180° radijana). Rezultati pokazuju da je naprezanje bakrene i aluminijske folije znatno niže od granice popuštanja, što ukazuje da ova deformacija neće uzrokovati plastičnu deformaciju. Trenutni sakupljač metala može izbjeći nepovratna oštećenja.

Slika 2b prikazuje raspodjelu naprezanja pri daljnjem povećanju stupnja savijanja, a naprezanje bakrene folije i aluminijske folije također je manje od njihove odgovarajuće granice popuštanja. Stoga konstrukcija može izdržati deformaciju preklapanja uz održavanje dobre izdržljivosti. Osim deformacije savijanja, sustav može postići određeni stupanj izobličenja (slika 2c).

Za baterije s cilindričnim jedinicama, zbog svojstvenih karakteristika kruga, može postići teže i složenije deformacije. Stoga, kada je baterija presavijena na 180o (slika 2d, e), rastegnuta na oko 140% izvorne duljine (slika 2f) i uvijena na 90o (slika 2g), može održati mehaničku stabilnost. Osim toga, kada se savijanje + uvijanje i deformacija namota primjenjuju odvojeno, projektirana LIBs struktura neće uzrokovati nepovratnu plastičnu deformaciju strujnog metalnog kolektora pod različitim teškim i složenim deformacijama.

Slika 2 (ac) Rezultati simulacije konačnih elemenata kvadratne ćelije pod savijanjem, savijanjem i uvijanjem; (di) Rezultati simulacije konačnih elemenata cilindrične ćelije pod savijanjem, savijanjem, rastezanjem, uvijanjem, savijanjem + uvijanjem i namatanjem.

Za procjenu elektrokemijskih performansi dizajnirane fleksibilne baterije, LiCoO2 je korišten kao katodni materijal za ispitivanje kapaciteta pražnjenja i stabilnost ciklusa. Kao što je prikazano na slici 3a, kapacitet pražnjenja baterije s četvrtastim ćelijama nije značajno smanjen nakon što se ravnina deformira na savijanje, prstenje, presavijanje i uvijanje pri povećanju od 1 C, što znači da mehanička deformacija neće uzrokovati dizajn fleksibilna baterija treba biti elektrokemijski. Izvedba pada. Čak i nakon dinamičkog savijanja (slika 3c, d) i dinamičke torzije (slika 3e, f), te nakon određenog broja ciklusa, platforma za punjenje i pražnjenje i performanse dugog ciklusa nemaju vidljive promjene, što znači da unutarnja struktura baterija je dobro zaštićena.

Slika 3 (a) Ispitivanje punjenja i pražnjenja baterije kvadratne jedinice pod 1C; (b) krivulja punjenja i pražnjenja pod različitim uvjetima; (c, d) Pod dinamičkim savijanjem, performanse ciklusa baterije i odgovarajuća krivulja punjenja i pražnjenja; (e, f) Pod dinamičkom torzijom, performanse ciklusa baterije i odgovarajuća krivulja punjenja-pražnjenja u različitim ciklusima.

Rezultati simulacijske analize pokazuju da zahvaljujući svojstvenim karakteristikama kružnice, fleksibilni LIB-ovi s cilindričnim elementima mogu izdržati ekstremnije i složenije deformacije. Stoga je, kako bi se demonstrirala elektrokemijska izvedba fleksibilnih LIB-ova cilindrične jedinice, ispitivanje provedeno pri brzini od 1 C, što je pokazalo da kada baterija podvrgne raznim deformacijama, gotovo da nema promjena u elektrokemijskoj izvedbi. Deformacija neće uzrokovati promjenu krivulje napona (slika 4a, b).

Kako bi se dodatno procijenila elektrokemijska stabilnost i mehanička izdržljivost cilindrične baterije, baterija je podvrgnuta dinamičkom automatskom testu opterećenja pri brzini od 1 C. Istraživanja pokazuju da nakon dinamičkog rastezanja (slika 4c, d), dinamička torzija (slika 4e, f) , i dinamičko savijanje + torzija (slika 4g, h), performanse ciklusa punjenja i pražnjenja baterije i odgovarajuća krivulja napona ne utječu. Slika 4i prikazuje performanse baterije sa šarenom jedinicom za pohranu energije. Kapacitet pražnjenja opada sa 133.3 mAm g-1 na 129.9 mAh g-1, a gubitak kapaciteta po ciklusu je samo 0.04%, što ukazuje da deformacija neće utjecati na njegovu stabilnost ciklusa i kapacitet pražnjenja.

Slika 4 (a) Ispitivanje ciklusa punjenja i pražnjenja različitih konfiguracija cilindričnih ćelija pri 1 C; (b) Odgovarajuće krivulje punjenja i pražnjenja baterije u različitim uvjetima; (c, d) Performanse ciklusa i punjenje baterije pod dinamičkom napetošću Krivulja pražnjenja; (e, f) performanse ciklusa baterije pod dinamičkom torzijom i odgovarajuća krivulja punjenja-pražnjenja u različitim ciklusima; (g, h) performanse ciklusa baterije pod dinamičkim savijanjem + torzija i odgovarajuća krivulja punjenja-pražnjenja pod različitim ciklusima; (I) Ispitivanje punjenja i pražnjenja prizmatičnih jedinica baterija različitih konfiguracija pri 1 C.

Kako bi procijenio primjenu razvijene fleksibilne baterije u praksi, autor koristi pune baterije s različitim vrstama jedinica za pohranu energije za napajanje nekih komercijalnih elektroničkih proizvoda, kao što su slušalice, pametni satovi, mini električni ventilatori, kozmetički instrumenti i pametni telefoni. Oba su dovoljna za svakodnevnu upotrebu, u potpunosti utjelovljuju potencijal primjene raznih fleksibilnih i nosivih elektroničkih proizvoda.

Slika 5 primjenjuje dizajniranu bateriju na slušalice, pametne satove, mini električne ventilatore, kozmetičku opremu i pametne telefone. Fleksibilna baterija napaja (a) slušalice, (b) pametne satove i (c) mini električne ventilatore; (d) napajanje kozmetičke opreme; (e) pod različitim uvjetima deformacije, fleksibilna baterija napaja pametne telefone.

Sažetak i izgledi

Ukratko, ovaj je članak inspiriran strukturom ljudskih zglobova. Predlaže jedinstvenu metodu dizajna za proizvodnju fleksibilne baterije visoke gustoće energije, višestruke deformabilnosti i izdržljivosti. U usporedbi s tradicionalnim fleksibilnim LIB-ovima, ovaj novi dizajn može učinkovito izbjeći plastičnu deformaciju trenutnog metalnog kolektora. Istodobno, zakrivljene površine rezervirane na oba kraja jedinice za pohranu energije dizajnirane u ovom radu mogu učinkovito ublažiti lokalno naprezanje međusobno povezanih komponenti. Osim toga, različite metode namatanja mogu promijeniti oblik hrpe, dajući bateriji dovoljnu deformabilnost. Fleksibilna baterija pokazuje izvrsnu stabilnost ciklusa i mehaničku izdržljivost zahvaljujući novom dizajnu i ima velike mogućnosti primjene u raznim fleksibilnim i nosivim elektroničkim proizvodima.

Veza za literaturu

Strukturni dizajn inspiriran ljudskim zglobovima za savitljivu/sklopivu/rastezljivu/uvrtljivu bateriju: postizanje višestruke deformabilnosti. (Energetski okoliš. Sci., 2021., DOI: 10.1039/D1EE00480H)