Hong Kong CityU EES: гнучкий літій-іонний акумулятор, створений на основі людських суглобів

Передумови дослідження

Зростаючий попит на електронну продукцію в останні роки сприяв швидкому розвитку гнучких пристроїв зберігання даних із високою щільністю енергії. Гнучкі літій-іонні акумулятори (LIB) з високою щільністю енергії та стабільними електрохімічними характеристиками вважаються найперспективнішою технологією акумуляторів для носимих електронних виробів. Хоча використання тонкоплівкових електродів та електродів на полімерній основі значно покращує гнучкість LIB, існують такі проблеми:

(1) Більшість гнучких батарей складаються за допомогою «негативного електрода-роздільника-позитивного електрода», а їх обмежена деформованість і прослизання між багатошаровими блоками обмежують загальну продуктивність LIB;

(2) За деяких більш важких умов, таких як згинання, розтягування, намотування та складна деформація, він не може гарантувати продуктивність акумулятора;

(3) Частина стратегії проектування ігнорує деформацію поточного металевого колектора.

Тому одночасне досягнення невеликого кута згину, кількох режимів деформації, чудової механічної міцності та високої щільності енергії все ще стикається з багатьма проблемами.

Вступ

Нещодавно професор Chunyi Zhi та доктор Cuiping Han з міського університету Гонконгу опублікували статтю під назвою «Конструктивний дизайн, натхненний людськими суглобами для згинаються/складних/розтягнутих/скручених акумуляторів: досягнення багаторазової деформації» на Energy Environ. наук. Ця робота була натхненна структурою людських суглобів і створила своєрідні гнучкі LIB, схожі на суглобову систему. На основі цієї нової конструкції підготовлена ​​гнучка батарея може досягати високої щільності енергії та згинатися або навіть складатися на 180°. У той же час структурну структуру можна змінювати за допомогою різних методів намотування, щоб гнучкі LIB мали широкі можливості деформації, могли застосовуватися до більш серйозних і складних деформацій (накручування і скручування) і навіть розтягуватися, а їх деформаційні можливості є далеко за межі попередніх звітів про гнучкі LIB. Аналіз моделювання кінцевих елементів підтвердив, що розроблена в цій роботі батарея не зазнає необоротної пластичної деформації струмоприймача металевого колектора під час різних різких і складних деформацій. У той же час зібраний квадратний акумулятор може досягати щільності енергії до 371.9 Вт·год/л, що становить 92.9% від традиційного м’якого акумулятора. Крім того, він може підтримувати стабільну роботу циклу навіть після більш ніж 200,000 25,000 разів динамічного вигину та XNUMX XNUMX разів динамічного викривлення.

Подальші дослідження показують, що зібраний циліндричний елемент може витримувати більш серйозні та складні деформації. Після більш ніж 100,000 20,000 динамічних розтягувань, 100,000 88 поворотів і XNUMX XNUMX деформацій згину він все ще може досягти високої потужності, що становить понад XNUMX% — коефіцієнта утримання. Таким чином, гнучкі LIB, запропоновані в цій статті, відкривають величезну перспективу для практичного застосування в електроніці, що носиться для носіння.

Основні напрямки досліджень

1) Гнучкі LIB, створені на основі людських суглобів, можуть підтримувати стабільну роботу циклу при деформаціях згинання, скручування, розтягування та намотування;

(2) За допомогою квадратної гнучкої батареї вона може досягти щільності енергії до 371.9 Вт·год/л, що становить 92.9% від традиційної батареї м’якого корпусу;

(3) Різні методи намотування можуть змінити форму батареї та надати батареї достатню деформаційну здатність.

Графічний посібник

Дослідження показали, що, окрім забезпечення високої об’ємної щільності енергії та більш складної деформації, конструкція повинна також уникати пластичної деформації струмоприймача. Моделювання кінцевих елементів показує, що найкращим методом струмоприймача має бути запобігання малому радіусу вигину струмоприймача під час процесу згинання, щоб уникнути пластичної деформації та незворотного пошкодження струмоприймача.

На малюнку 1а показано структуру суглобів людини, в якій розумно більша вигнута поверхня допомагає суглобам плавно обертатися. Виходячи з цього, на малюнку 1b показано типовий графітовий анод/діафрагма/літій-кобальтат (LCO), який можна змотати в квадратну структуру товстої стопки. На стику він складається з двох товстих жорстких стопок і гнучкої частини. Що ще важливіше, товста стопка має вигнуту поверхню, еквівалентну обкладинці суглобової кістки, що сприяє буферному тиску та забезпечує основну ємність гнучкої батареї. Еластична частина виконує роль зв’язки, з’єднуючи товсті стеки і забезпечуючи гнучкість (Малюнок 1в). Крім намотування в квадратну купу, батареї з циліндричними або трикутними елементами можна виготовляти також шляхом зміни способу намотування (Малюнок 1d). Для гнучких LIB з квадратними блоками накопичення енергії з’єднані між собою сегменти будуть котитися вздовж дугоподібної поверхні товстого стека під час процесу згинання (Малюнок 1e), тим самим значно збільшуючи щільність енергії гнучкого акумулятора. Крім того, завдяки еластичному полімерному інкапсулюванню, гнучкі LIB з циліндричними блоками можуть досягти розтяжних і гнучких властивостей (Малюнок 1f).

Рисунок 1 (а) Конструкція унікального зв’язок зв’язок і вигнутої поверхні є важливою для досягнення гнучкості; (b) Принципова схема гнучкої структури батареї та процесу виробництва; (c) кістка відповідає більш товстому набору електродів, а зв'язка відповідає розгорнутій (D) Гнучка структура батареї з циліндричними та трикутними елементами; (e) Схематична схема укладання квадратних осередків; (f) Деформація розтягування циліндричних осередків.

Подальше використання аналізу механічного моделювання підтвердило стабільність конструкції гнучкої батареї. На малюнку 2а показано розподіл напружень мідної та алюмінієвої фольги при згинанні в циліндр (180° радіан). Результати показують, що напруга мідної та алюмінієвої фольги значно нижча за межу їх текучості, що вказує на те, що ця деформація не спричинить пластичної деформації. Металозбірник струму дозволяє уникнути незворотних пошкоджень.

На малюнку 2b показано розподіл напружень, коли ступінь вигину ще більше збільшується, а напруження мідної фольги та алюмінієвої фольги також менше, ніж їх відповідний межа плинності. Тому конструкція витримує деформацію згортання, зберігаючи при цьому хорошу міцність. Крім деформації вигину, система може досягти певного ступеня спотворення (Малюнок 2в).

Для батарей з циліндричними блоками, завдяки властивим колам характеристикам, можна досягти більш серйозної і складної деформації. Тому, коли батарея складається на 180o (Малюнок 2d, e), розтягується приблизно на 140% від початкової довжини (Малюнок 2f) і скручується на 90o (Малюнок 2g), вона може підтримувати механічну стабільність. Крім того, при окремому застосуванні деформації згинання + скручування та намотування розроблена структура ЛІБ не викличе необоротної пластичної деформації струмоприймача металевого колектора при різних серйозних і складних деформаціях.

Рисунок 2 (ac) Результати моделювання скінченних елементів квадратної комірки під час згинання, згинання та скручування; (di) Результати моделювання кінцевих елементів циліндричної комірки під час згинання, згинання, розтягування, скручування, згинання + скручування та намотування.

Для оцінки електрохімічних характеристик розробленої гнучкої батареї LiCoO2 був використаний як матеріал катода для перевірки розрядної ємності та стабільності циклу. Як показано на малюнку 3a, розрядна ємність батареї з квадратними елементами значно не зменшується після того, як площину деформують до згинання, кільця, згинання та скручування при збільшенні 1 C, що означає, що механічна деформація не спричинить конструкцію гнучка батарея повинна бути електрохімічно Ефективність падає. Навіть після динамічного вигину (мал. 3c, d) і динамічного скручування (рис. 3e, f), а також після певної кількості циклів зарядно-розрядна платформа та продуктивність тривалого циклу не мають видимих ​​змін, що означає, що внутрішня структура акумулятор добре захищений.

Рисунок 3 (a) Перевірка заряду та розряду квадратної батареї під 1С; (b) крива заряду та розряду за різних умов; (c, d) при динамічному вигині продуктивність циклу батареї та відповідна крива заряду та розряду; (e, f) При динамічному крученні, циклічні характеристики акумулятора та відповідна крива заряд-розряд при різних циклах.

Результати симуляційного аналізу показують, що завдяки властивим колам характеристикам гнучкі LIB з циліндричними елементами можуть витримувати більш екстремальні та складні деформації. Тому для демонстрації електрохімічних характеристик гнучких LIB циліндричного блоку було проведено випробування зі швидкістю 1 С, яке показало, що при різних деформаціях батареї електрохімічні характеристики майже не змінюються. Деформація не призведе до зміни кривої напруги (Малюнок 4а, б).

Щоб додатково оцінити електрохімічну стабільність і механічну стійкість циліндричної батареї, вона піддала акумулятор динамічному автоматичному випробуванню навантажень зі швидкістю 1 С. Дослідження показують, що після динамічного розтягування (Малюнок 4c, d) динамічне скручування (Малюнок 4e, f) , і динамічний згин + кручення (Малюнок 4g, h), продуктивність циклу заряд-розряд батареї та відповідна крива напруги не впливають. На малюнку 4i показано продуктивність батареї з яскравим накопичувачем енергії. Розрядна ємність зменшується від 133.3 mAm g-1 до 129.9 mAh g-1, а втрата ємності за цикл становить лише 0.04%, що вказує на те, що деформація не вплине на стабільність його циклу та ємність розряду.

Рисунок 4 (a) Випробування циклу заряду та розряду різних конфігурацій циліндричних елементів при 1 С; (b) відповідні криві заряду та розряду батареї за різних умов; (c, d) Циклічні характеристики та заряд батареї при динамічній напрузі Крива розряду; (e, f) циклічні характеристики акумулятора при динамічному крутінні та відповідна крива заряд-розряд при різних циклах; (g, h) цикл роботи акумулятора при динамічному вигині + кручення і відповідна крива заряд-розряд при різних циклах; (I) Перевірка заряду та розряду призматичних батарей різної конфігурації при 1 С.

Щоб оцінити застосування розробленої гнучкої батареї на практиці, автор використовує повні акумулятори з різними типами накопичувачів енергії для живлення деяких комерційних електронних продуктів, таких як навушники, розумні годинники, міні-електричні вентилятори, косметичні інструменти та смартфони. Обидва є достатніми для повсякденного використання, повністю втілюють потенціал застосування різноманітних гнучких і носимих електронних продуктів.

На малюнку 5 розроблений акумулятор використовується для навушників, розумних годинників, міні-електричних вентиляторів, косметичного обладнання та смартфонів. Гнучка батарея забезпечує живлення (а) навушників, (b) розумних годинників і (в) міні-електричних вентиляторів; (d) живлення для косметичного обладнання; (e) за різних умов деформації гнучка батарея забезпечує живлення для смартфонів.

Підсумок і перспективи

Підсумовуючи, ця стаття натхненна будовою людських суглобів. Він пропонує унікальний метод проектування для виготовлення гнучкої батареї з високою щільністю енергії, багаторазовою деформацією та довговічністю. У порівнянні з традиційними гнучкими LIB, ця нова конструкція може ефективно уникнути пластичної деформації поточного металевого колектора. У той же час вигнуті поверхні, зарезервовані на обох кінцях блоку накопичення енергії, розробленого в цій статті, можуть ефективно знімати локальне напруження взаємопов’язаних компонентів. Крім того, різні способи намотування можуть змінювати форму стопки, надаючи батареї достатню деформаційність. Гнучка батарея демонструє чудову стабільність циклу та механічну міцність завдяки новому дизайну та має широкі перспективи застосування в різних гнучких і носимих електронних продуктах.

Посилання на літературу

Структурна конструкція, натхненна людськими суглобами, для згинаються/складаних/розтягнутих/скручуваних акумуляторів: досягнення багаторазової деформації. (Енергетичне середовище. Наук., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)