Hong Kong CityU EES: Bateri litium-ion fleksibel yang diilhamkan oleh sendi manusia

Latar Belakang Kajian

Permintaan yang semakin meningkat untuk produk elektronik telah menggalakkan perkembangan pesat peranti storan yang fleksibel dan berketumpatan tinggi dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Bateri litium ion yang fleksibel (LIB) dengan ketumpatan tenaga tinggi dan prestasi elektrokimia yang stabil dianggap sebagai teknologi bateri yang paling menjanjikan untuk produk elektronik boleh pakai. Walaupun penggunaan elektrod filem nipis dan elektrod berasaskan polimer secara mendadak meningkatkan fleksibiliti LIB, terdapat masalah berikut:

(1) Kebanyakan bateri fleksibel disusun oleh "elektrod positif pemisah elektrod negatif," dan kebolehubah bentuk dan gelinciran terhadnya antara tindanan berbilang lapisan menyekat prestasi keseluruhan LIB;

(2) Di bawah beberapa keadaan yang lebih teruk, seperti lipatan, regangan, penggulungan, dan ubah bentuk kompleks, ia tidak dapat menjamin prestasi bateri;

(3) Sebahagian daripada strategi reka bentuk mengabaikan ubah bentuk pengumpul logam semasa.

Oleh itu, pada masa yang sama mencapai sudut lenturnya yang sedikit, mod ubah bentuk berbilang, ketahanan mekanikal yang unggul, dan ketumpatan tenaga yang tinggi masih menghadapi banyak cabaran.

Pengenalan

Baru-baru ini, Profesor Chunyi Zhi dan Dr. Cuiping Han dari City University of Hong Kong menerbitkan kertas kerja bertajuk "Reka bentuk struktur yang diilhamkan oleh manusia untuk bateri boleh dibengkok/boleh dilipat/diregangkan/dipulas: mencapai pelbagai kecacatan" di Energy Environ. Sci. Kerja ini diilhamkan oleh struktur sendi manusia dan mereka bentuk LIB yang fleksibel serupa dengan sistem sendi. Berdasarkan reka bentuk novel ini, bateri fleksibel yang disediakan boleh mencapai ketumpatan tenaga yang tinggi dan dibengkokkan atau dilipat pada 180°. Pada masa yang sama, struktur struktur boleh diubah melalui kaedah penggulungan yang berbeza supaya LIB yang fleksibel mempunyai keupayaan ubah bentuk yang kaya, boleh digunakan untuk ubah bentuk yang lebih teruk dan kompleks (penggulungan dan berpusing), dan juga boleh diregangkan, dan keupayaan ubah bentuk mereka adalah. jauh melebihi laporan terdahulu LIB fleksibel. Analisis simulasi unsur terhingga mengesahkan bahawa bateri yang direka dalam kertas ini tidak akan mengalami ubah bentuk plastik tidak boleh balik pengumpul logam semasa di bawah pelbagai ubah bentuk yang keras dan kompleks. Pada masa yang sama, bateri unit persegi yang dipasang boleh mencapai ketumpatan tenaga sehingga 371.9 Wh/L, iaitu 92.9% daripada bateri pek lembut tradisional. Di samping itu, ia boleh mengekalkan prestasi kitaran yang stabil walaupun selepas lebih daripada 200,000 kali lenturan dinamik dan 25,000 kali herotan dinamik.

Kajian lanjut menunjukkan bahawa sel unit silinder yang dipasang boleh menahan ubah bentuk yang lebih teruk dan kompleks. Selepas lebih daripada 100,000 regangan dinamik, 20,000 lilitan dan 100,000 ubah bentuk lenturan, ia masih boleh mencapai kapasiti tinggi lebih daripada 88%—kadar pengekalan. Oleh itu, LIB fleksibel yang dicadangkan dalam kertas ini memberikan prospek besar untuk aplikasi praktikal dalam elektronik boleh pakai.

Sorotan penyelidikan

1) LIB yang fleksibel, diilhamkan oleh sendi manusia, boleh mengekalkan prestasi kitaran yang stabil di bawah ubah bentuk lentur, berpusing, regangan dan penggulungan;

(2) Dengan bateri fleksibel segi empat sama, ia boleh mencapai ketumpatan tenaga sehingga 371.9 Wh/L, iaitu 92.9% daripada bateri pek lembut tradisional;

(3) Kaedah penggulungan yang berbeza boleh mengubah bentuk tindanan bateri dan memberikan kebolehubah bentuk bateri yang mencukupi.

Panduan grafik

Penyelidikan telah menunjukkan bahawa, sebagai tambahan kepada memastikan ketumpatan tenaga volum yang tinggi dan ubah bentuk yang lebih kompleks, reka bentuk struktur juga mesti mengelakkan ubah bentuk plastik pengumpul semasa. Simulasi unsur terhingga menunjukkan bahawa kaedah terbaik pengumpul semasa adalah untuk mengelakkan pengumpul arus daripada mempunyai jejari lentur yang kecil semasa proses lenturan untuk mengelakkan ubah bentuk plastik dan kerosakan tidak boleh balik pengumpul semasa.

Rajah 1a menunjukkan struktur sendi manusia, di mana reka bentuk permukaan melengkung yang lebih bijak membantu sendi berputar dengan lancar. Berdasarkan ini, Rajah 1b menunjukkan anod grafit biasa/diafragma/lithium cobaltate (LCO), yang boleh dililitkan ke dalam struktur tindanan tebal persegi. Di persimpangan, ia terdiri daripada dua tindanan tegar tebal dan bahagian fleksibel. Lebih penting lagi, susunan tebal mempunyai permukaan melengkung yang setara dengan penutup tulang sendi, yang membantu tekanan penampan dan menyediakan kapasiti utama bateri fleksibel. Bahagian elastik bertindak sebagai ligamen, menyambung timbunan tebal dan memberikan fleksibiliti (Rajah 1c). Sebagai tambahan kepada penggulungan ke dalam longgokan persegi, bateri dengan sel silinder atau segi tiga juga boleh dihasilkan dengan menukar kaedah penggulungan (Rajah 1d). Untuk LIB fleksibel dengan unit storan tenaga segi empat sama, segmen yang saling berkaitan akan bergolek di sepanjang permukaan berbentuk arka timbunan tebal semasa proses lenturan (Rajah 1e), dengan itu meningkatkan ketumpatan tenaga bateri fleksibel dengan ketara. Di samping itu, melalui enkapsulasi polimer elastik, LIB fleksibel dengan unit silinder boleh mencapai sifat regangan dan fleksibel (Rajah 1f).

Rajah 1 (a) Reka bentuk sambungan ligamen yang unik dan permukaan melengkung adalah penting untuk mencapai fleksibiliti; (b) Gambar rajah skema struktur bateri fleksibel dan proses pembuatan; (c) tulang sepadan dengan timbunan elektrod yang lebih tebal, dan ligamen sepadan dengan terbongkar (D) Struktur bateri fleksibel dengan sel silinder dan segi tiga; (e) Menyusun gambarajah skematik sel segi empat sama; (f) Regangan ubah bentuk sel silinder.

Penggunaan selanjutnya analisis simulasi mekanikal mengesahkan kestabilan struktur bateri fleksibel. Rajah 2a menunjukkan taburan tegasan kuprum dan kerajang aluminium apabila dibengkokkan ke dalam silinder (180° radian). Keputusan menunjukkan bahawa tegasan kuprum dan aluminium foil adalah jauh lebih rendah daripada kekuatan hasil mereka, menunjukkan bahawa ubah bentuk ini tidak akan menyebabkan ubah bentuk plastik. Pengumpul logam semasa boleh mengelakkan kerosakan tidak dapat dipulihkan.

Rajah 2b menunjukkan taburan tegasan apabila tahap lenturan ditingkatkan lagi, dan tegasan kerajang kuprum dan kerajang aluminium juga kurang daripada kekuatan hasil yang sepadan. Oleh itu, struktur boleh menahan ubah bentuk lipatan sambil mengekalkan ketahanan yang baik. Sebagai tambahan kepada ubah bentuk lenturan, sistem boleh mencapai tahap herotan tertentu (Rajah 2c).

Untuk bateri dengan unit silinder, disebabkan oleh ciri-ciri wujud bulatan, ia boleh mencapai ubah bentuk yang lebih teruk dan kompleks. Oleh itu, apabila bateri dilipat kepada 180o (Rajah 2d, e), diregangkan kepada kira-kira 140% daripada panjang asal (Rajah 2f), dan dipintal kepada 90o (Rajah 2g), ia boleh mengekalkan kestabilan mekanikal. Di samping itu, apabila ubah bentuk lenturan + berpusing dan belitan digunakan secara berasingan, struktur LIB yang direka bentuk tidak akan menyebabkan ubah bentuk plastik tidak boleh balik pengumpul logam semasa di bawah pelbagai ubah bentuk yang teruk dan kompleks.

Rajah 2 (ac) Hasil simulasi unsur terhingga bagi sel segi empat sama di bawah lentur, lipatan dan berpusing; (di) Hasil simulasi unsur terhingga sel silinder di bawah lenturan, lipatan, regangan, memusing, membengkok + memusing dan berliku.

Untuk menilai prestasi elektrokimia bateri fleksibel yang direka, LiCoO2 digunakan sebagai bahan katod untuk menguji kapasiti nyahcas dan kestabilan kitaran. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3a, kapasiti nyahcas bateri dengan sel segi empat sama tidak berkurangan dengan ketara selepas satah berubah bentuk untuk dibengkokkan, gelang, dilipat dan dipintal pada pembesaran 1 C, yang bermaksud bahawa ubah bentuk mekanikal tidak akan menyebabkan reka bentuk bateri fleksibel menjadi elektrokimia Prestasi menurun. Walaupun selepas lenturan dinamik (Rajah 3c, d) dan kilasan dinamik (Rajah 3e, f), dan selepas beberapa kitaran tertentu, platform pengecasan dan nyahcas serta prestasi kitaran panjang tidak mempunyai perubahan yang ketara, yang bermaksud bahawa struktur dalaman bagi bateri dilindungi dengan baik.

Rajah 3 (a) Ujian cas dan nyahcas bateri unit persegi di bawah 1C; (b) Keluk caj dan nyahcas di bawah keadaan yang berbeza; (c, d) Di bawah lenturan dinamik, prestasi kitaran bateri dan lengkung cas dan nyahcas yang sepadan; (e, f) Di bawah kilasan dinamik, prestasi kitaran bateri dan lengkung cas-nyahcas yang sepadan di bawah kitaran yang berbeza.

Keputusan analisis simulasi menunjukkan bahawa terima kasih kepada ciri-ciri wujud bulatan, LIB yang fleksibel dengan unsur silinder boleh menahan ubah bentuk yang lebih melampau dan kompleks. Oleh itu, untuk menunjukkan prestasi elektrokimia LIB fleksibel unit silinder, ujian telah dijalankan pada kadar 1 C, yang menunjukkan bahawa apabila bateri mengalami pelbagai ubah bentuk, hampir tiada perubahan dalam prestasi elektrokimia. Ubah bentuk tidak akan menyebabkan lengkung voltan berubah (Rajah 4a, b).

Untuk menilai lebih lanjut kestabilan elektrokimia dan ketahanan mekanikal bateri silinder, ia tertakluk kepada ujian beban automatik dinamik pada kadar 1 C. Penyelidikan menunjukkan bahawa selepas regangan dinamik (Rajah 4c, d), kilasan dinamik (Rajah 4e, f) , dan lenturan dinamik + kilasan (Rajah 4g, h), prestasi kitaran cas-nyahcas bateri dan lengkung voltan yang sepadan tidak terjejas. Rajah 4i menunjukkan prestasi bateri dengan unit simpanan tenaga berwarna-warni. Kapasiti nyahcas mereput daripada 133.3 mAm g-1 kepada 129.9 mAh g-1, dan kehilangan kapasiti setiap kitaran hanya 0.04%, menunjukkan bahawa ubah bentuk tidak akan menjejaskan kestabilan kitaran dan kapasiti nyahcasnya.

Rajah 4 (a) Ujian kitaran cas dan nyahcas bagi konfigurasi berbeza sel silinder pada 1 C; (b) Lengkung cas dan nyahcas yang sepadan bagi bateri di bawah keadaan yang berbeza; (c, d) Prestasi kitaran dan cas bateri di bawah ketegangan dinamik Lengkung nyahcas; (e, f) prestasi kitaran bateri di bawah kilasan dinamik dan lengkung cas-nyahcas yang sepadan di bawah kitaran yang berbeza; (g, h) prestasi kitaran bateri di bawah lenturan dinamik + kilasan dan lengkung cas-nyahcas yang sepadan di bawah kitaran yang berbeza ; (I) Ujian cas dan nyahcas bagi bateri unit prismatik dengan konfigurasi berbeza pada 1 C.

Untuk menilai aplikasi bateri fleksibel yang dibangunkan dalam amalan, penulis menggunakan bateri penuh dengan pelbagai jenis unit storan tenaga untuk menggerakkan beberapa produk elektronik komersial, seperti fon telinga, jam tangan pintar, kipas elektrik mini, alat kosmetik dan telefon pintar. Kedua-duanya adalah mencukupi untuk kegunaan harian, merangkumi sepenuhnya potensi aplikasi pelbagai produk elektronik yang fleksibel dan boleh pakai.

Rajah 5 menggunakan bateri yang direka bentuk pada fon telinga, jam tangan pintar, kipas elektrik mini, peralatan kosmetik dan telefon pintar. Bateri fleksibel membekalkan kuasa untuk (a) fon telinga, (b) jam tangan pintar, dan (c) kipas elektrik mini; (d) membekalkan kuasa untuk peralatan kosmetik; (e) di bawah keadaan ubah bentuk yang berbeza, bateri fleksibel membekalkan kuasa untuk telefon pintar.

Ringkasan dan pandangan

Ringkasnya, artikel ini diilhamkan oleh struktur sendi manusia. Ia mencadangkan kaedah reka bentuk yang unik untuk mengeluarkan bateri yang fleksibel dengan ketumpatan tenaga yang tinggi, pelbagai kecacatan dan ketahanan. Berbanding dengan LIB fleksibel tradisional, reka bentuk baharu ini boleh mengelakkan ubah bentuk plastik pengumpul logam semasa dengan berkesan. Pada masa yang sama, permukaan melengkung yang dikhaskan pada kedua-dua hujung unit storan tenaga yang direka dalam kertas ini dapat melegakan tekanan tempatan komponen yang saling berkaitan dengan berkesan. Di samping itu, kaedah penggulungan yang berbeza boleh mengubah bentuk timbunan, memberikan kebolehubah bentuk bateri yang mencukupi. Bateri fleksibel mempamerkan kestabilan kitaran yang sangat baik dan ketahanan mekanikal berkat reka bentuk novel dan mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam pelbagai produk elektronik yang fleksibel dan boleh pakai.

Pautan sastera

Reka bentuk struktur yang diilhamkan bersama manusia untuk bateri boleh dibengkokkan/boleh dilipat/diregangkan/dipulas: mencapai pelbagai kebolehubah bentuk. (Persekitaran Tenaga. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)