Hong Kong CityU EES: Ευέλικτη μπαταρία ιόντων λιθίου εμπνευσμένη από ανθρώπινες αρθρώσεις

Ιστορικό της έρευνας

Η αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρονικά προϊόντα έχει προωθήσει την ταχεία ανάπτυξη ευέλικτων και υψηλής ενεργειακής πυκνότητας συσκευών αποθήκευσης τα τελευταία χρόνια. Ευέλικτες μπαταρίες ιόντων λιθίου Τα (LIB) με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και σταθερή ηλεκτροχημική απόδοση θεωρούνται η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία μπαταριών για φορετά ηλεκτρονικά προϊόντα. Αν και η χρήση ηλεκτροδίων λεπτής μεμβράνης και ηλεκτροδίων με βάση πολυμερή βελτιώνει δραματικά την ευελιξία των LIB, υπάρχουν τα ακόλουθα προβλήματα:

(1) Οι περισσότερες εύκαμπτες μπαταρίες στοιβάζονται από "ηλεκτρόδιο θετικού αρνητικού διαχωριστή ηλεκτροδίων" και η περιορισμένη παραμορφωσιμότητα και η ολίσθησή τους μεταξύ στοίβων πολλαπλών στρώσεων περιορίζουν τη συνολική απόδοση των LIB.

(2) Κάτω από ορισμένες πιο σοβαρές συνθήκες, όπως δίπλωμα, τέντωμα, περιέλιξη και περίπλοκη παραμόρφωση, δεν μπορεί να εγγυηθεί την απόδοση της μπαταρίας.

(3) Μέρος της στρατηγικής σχεδιασμού αγνοεί την παραμόρφωση του τρέχοντος συλλέκτη μετάλλων.

Επομένως, η ταυτόχρονη επίτευξη της ελαφριάς γωνίας κάμψης, των πολλαπλών τρόπων παραμόρφωσης, της ανώτερης μηχανικής αντοχής και της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις.

Εισαγωγή

Πρόσφατα, ο καθηγητής Chunyi Zhi και ο Δρ. Cuiping Han του Πανεπιστημίου Πόλης του Χονγκ Κονγκ δημοσίευσαν μια εργασία με τίτλο "Human joint inspired structural design for fleble/foldable/stretchable/wistable battery: achieving multiple deformability" στο Energy Environ. Sci. Αυτό το έργο εμπνεύστηκε από τη δομή των ανθρώπινων αρθρώσεων και σχεδίασε ένα είδος εύκαμπτων LIB παρόμοια με το σύστημα των αρθρώσεων. Με βάση αυτό το νέο σχέδιο, η προετοιμασμένη, εύκαμπτη μπαταρία μπορεί να επιτύχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και να λυγίσει ή ακόμα και να διπλωθεί στις 180°. Ταυτόχρονα, η δομική δομή μπορεί να αλλάξει μέσω διαφορετικών μεθόδων περιέλιξης, έτσι ώστε τα εύκαμπτα LIB να έχουν πλούσιες δυνατότητες παραμόρφωσης, να μπορούν να εφαρμοστούν σε πιο σοβαρές και πολύπλοκες παραμορφώσεις (τύλιγμα και συστροφή) και ακόμη και να τεντωθούν και οι δυνατότητες παραμόρφωσής τους είναι πολύ πέρα ​​από προηγούμενες αναφορές ευέλικτων LIB. Η ανάλυση προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων επιβεβαίωσε ότι η μπαταρία που σχεδιάστηκε σε αυτό το έγγραφο δεν θα υποστεί μη αναστρέψιμη πλαστική παραμόρφωση του τρέχοντος μεταλλικού συλλέκτη υπό διάφορες σκληρές και πολύπλοκες παραμορφώσεις. Ταυτόχρονα, η συναρμολογημένη τετράγωνη μπαταρία μπορεί να επιτύχει ενεργειακή πυκνότητα έως και 371.9 Wh/L, που είναι το 92.9% της παραδοσιακής μπαταρίας μαλακής συσκευασίας. Επιπλέον, μπορεί να διατηρήσει σταθερή απόδοση κύκλου ακόμα και μετά από περισσότερες από 200,000 φορές δυναμική κάμψη και 25,000 φορές δυναμική παραμόρφωση.

Περαιτέρω έρευνα δείχνει ότι η συναρμολογημένη κυλινδρική μονάδα κυψέλης μπορεί να αντέξει πιο σοβαρές και πολύπλοκες παραμορφώσεις. Μετά από περισσότερες από 100,000 δυναμικές διατάσεις, 20,000 περιστροφές και 100,000 παραμορφώσεις κάμψης, μπορεί ακόμα να επιτύχει υψηλή χωρητικότητα άνω του 88%—ποσοστό συγκράτησης. Ως εκ τούτου, τα ευέλικτα LIB που προτείνονται σε αυτό το έγγραφο παρέχουν μια τεράστια προοπτική για πρακτικές εφαρμογές στα φορητά ηλεκτρονικά.

Έρευνες τονίζουν

1) Τα εύκαμπτα LIB, εμπνευσμένα από ανθρώπινες αρθρώσεις, μπορούν να διατηρήσουν σταθερή απόδοση κύκλου υπό παραμορφώσεις κάμψης, συστροφής, τάνυσης και περιέλιξης.

(2) Με μια τετράγωνη εύκαμπτη μπαταρία, μπορεί να επιτύχει ενεργειακή πυκνότητα έως και 371.9 Wh/L, που είναι το 92.9% της παραδοσιακής μπαταρίας soft-pack.

(3) Διαφορετικές μέθοδοι περιέλιξης μπορούν να αλλάξουν το σχήμα της στοίβας της μπαταρίας και να δώσουν στην μπαταρία επαρκή παραμόρφωση.

Γραφικός οδηγός

Η έρευνα έχει δείξει ότι, εκτός από την εξασφάλιση υψηλής πυκνότητας όγκου ενέργειας και πιο περίπλοκης παραμόρφωσης, ο δομικός σχεδιασμός πρέπει επίσης να αποφεύγει την πλαστική παραμόρφωση του συλλέκτη ρεύματος. Η προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων δείχνει ότι η καλύτερη μέθοδος του συλλέκτη ρεύματος θα πρέπει να είναι η αποτροπή του συλλέκτη ρεύματος από μια μικρή ακτίνα κάμψης κατά τη διαδικασία κάμψης για να αποφευχθεί η πλαστική παραμόρφωση και η μη αναστρέψιμη ζημιά του συλλέκτη ρεύματος.

Το Σχήμα 1α δείχνει τη δομή των ανθρώπινων αρθρώσεων, στις οποίες το έξυπνα μεγαλύτερο σχέδιο καμπύλης επιφάνειας βοηθά τις αρθρώσεις να περιστρέφονται ομαλά. Με βάση αυτό, το Σχήμα 1β δείχνει μια τυπική άνοδο γραφίτη/διάφραγμα/κοβαλτικό λίθιο (LCO), η οποία μπορεί να τυλιχτεί σε μια τετράγωνη παχιά δομή στοίβας. Στη διασταύρωση, αποτελείται από δύο χοντρές άκαμπτες στοίβες και ένα εύκαμπτο τμήμα. Το πιο σημαντικό, η παχιά στοίβα έχει μια καμπύλη επιφάνεια ισοδύναμη με το κάλυμμα του οστού της άρθρωσης, το οποίο βοηθά στη ρύθμιση της πίεσης και παρέχει την κύρια χωρητικότητα της εύκαμπτης μπαταρίας. Το ελαστικό μέρος λειτουργεί ως σύνδεσμος, συνδέοντας παχιές στοίβες και παρέχοντας ευελιξία (Εικόνα 1γ). Εκτός από την περιέλιξη σε τετράγωνο σωρό, μπαταρίες με κυλινδρικές ή τριγωνικές κυψέλες μπορούν επίσης να κατασκευαστούν αλλάζοντας τη μέθοδο περιέλιξης (Εικόνα 1δ). Για εύκαμπτα LIB με τετράγωνες μονάδες αποθήκευσης ενέργειας, τα διασυνδεδεμένα τμήματα θα κυλίονται κατά μήκος της επιφάνειας σε σχήμα τόξου της παχιάς στοίβας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κάμψης (Εικόνα 1e), αυξάνοντας έτσι σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα της εύκαμπτης μπαταρίας. Επιπλέον, μέσω ελαστικής ενθυλάκωσης πολυμερούς, τα εύκαμπτα LIB με κυλινδρικές μονάδες μπορούν να επιτύχουν ελαστικές και εύκαμπτες ιδιότητες (Εικόνα 1στ).

Σχήμα 1 (α) Ο σχεδιασμός της μοναδικής σύνδεσης συνδέσμων και της καμπύλης επιφάνειας είναι απαραίτητος για την επίτευξη ευελιξίας. (β) Σχηματικό διάγραμμα της ευέλικτης δομής της μπαταρίας και της διαδικασίας κατασκευής. (γ) το οστό αντιστοιχεί σε παχύτερη στοίβα ηλεκτροδίων και ο σύνδεσμος αντιστοιχεί σε ξετυλιγμένη (D) Εύκαμπτη δομή μπαταρίας με κυλινδρικά και τριγωνικά κύτταρα. (ε) Σχηματικό διάγραμμα στοίβαξης τετραγωνικών κελιών. (στ) Παραμόρφωση τεντώματος κυλινδρικών κυψελών.

Η περαιτέρω χρήση της ανάλυσης μηχανικής προσομοίωσης επιβεβαίωσε τη σταθερότητα της ευέλικτης δομής της μπαταρίας. Το σχήμα 2α δείχνει την κατανομή της τάσης του χαλκού και του φύλλου αλουμινίου όταν κάμπτεται σε κύλινδρο (ακτίνι 180°). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η καταπόνηση του φύλλου χαλκού και αλουμινίου είναι πολύ μικρότερη από την αντοχή διαρροής τους, υποδεικνύοντας ότι αυτή η παραμόρφωση δεν θα προκαλέσει πλαστική παραμόρφωση. Ο τρέχων μεταλλικός συλλέκτης μπορεί να αποφύγει μη αναστρέψιμη ζημιά.

Το σχήμα 2β δείχνει την κατανομή της τάσης όταν ο βαθμός κάμψης αυξάνεται περαιτέρω και η τάση του φύλλου χαλκού και του φύλλου αλουμινίου είναι επίσης μικρότερη από την αντίστοιχη αντοχή διαρροής τους. Επομένως, η δομή μπορεί να αντέξει την αναδιπλούμενη παραμόρφωση διατηρώντας παράλληλα καλή αντοχή. Εκτός από την παραμόρφωση κάμψης, το σύστημα μπορεί να επιτύχει έναν ορισμένο βαθμό παραμόρφωσης (Εικόνα 2γ).

Για μπαταρίες με κυλινδρικές μονάδες, λόγω των εγγενών χαρακτηριστικών του κύκλου, μπορεί να επιτύχει πιο σοβαρή και πολύπλοκη παραμόρφωση. Επομένως, όταν η μπαταρία είναι διπλωμένη στις 180o (Εικόνα 2d, e), τεντώνεται περίπου στο 140% του αρχικού μήκους (Εικόνα 2f) και στρίβει σε 90o (Εικόνα 2g), μπορεί να διατηρήσει τη μηχανική σταθερότητα. Επιπλέον, όταν η παραμόρφωση κάμψης + συστροφής και περιέλιξης εφαρμόζονται χωριστά, η σχεδιασμένη δομή LIBs δεν θα προκαλέσει μη αναστρέψιμη πλαστική παραμόρφωση του τρέχοντος μεταλλικού συλλέκτη υπό διάφορες σοβαρές και πολύπλοκες παραμορφώσεις.

Σχήμα 2 (ac) Αποτελέσματα προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων ενός τετραγωνικού στοιχείου υπό κάμψη, δίπλωμα και συστροφή. (di) Αποτελέσματα προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων ενός κυλινδρικού στοιχείου υπό κάμψη, δίπλωμα, τέντωμα, συστροφή, κάμψη + συστροφή και περιέλιξη.

Για την αξιολόγηση της ηλεκτροχημικής απόδοσης της σχεδιασμένης εύκαμπτης μπαταρίας, το LiCoO2 χρησιμοποιήθηκε ως υλικό καθόδου για τον έλεγχο της ικανότητας εκφόρτισης και της σταθερότητας του κύκλου. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3α, η ικανότητα εκφόρτισης της μπαταρίας με τετράγωνες κυψέλες δεν μειώνεται σημαντικά αφού το επίπεδο παραμορφωθεί ώστε να λυγίσει, να δακτυλιωθεί, να διπλωθεί και να στρίψει σε μεγέθυνση 1 C, πράγμα που σημαίνει ότι η μηχανική παραμόρφωση δεν θα προκαλέσει το σχεδιασμό του η εύκαμπτη μπαταρία να είναι ηλεκτροχημικά Η απόδοση πέφτει. Ακόμη και μετά από δυναμική κάμψη (Εικόνα 3c, d) και δυναμική στρέψη (Εικόνα 3e, f) και μετά από ορισμένο αριθμό κύκλων, η πλατφόρμα φόρτισης και εκφόρτισης και η απόδοση μεγάλου κύκλου δεν έχουν εμφανείς αλλαγές, πράγμα που σημαίνει ότι η εσωτερική δομή του η μπαταρία είναι καλά προστατευμένη.

Σχήμα 3 (α) Δοκιμή φόρτισης και εκφόρτισης μπαταρίας τετράγωνης μονάδας κάτω από 1C. (β) Καμπύλη φόρτισης και εκφόρτισης υπό διαφορετικές συνθήκες. (γ, δ) Υπό δυναμική κάμψη, απόδοση κύκλου μπαταρίας και αντίστοιχη καμπύλη φόρτισης και εκφόρτισης. (ε, στ) Υπό δυναμική στρέψη, η απόδοση κύκλου της μπαταρίας και η αντίστοιχη καμπύλη φόρτισης-εκφόρτισης σε διαφορετικούς κύκλους.

Τα αποτελέσματα της ανάλυσης προσομοίωσης δείχνουν ότι χάρη στα εγγενή χαρακτηριστικά του κύκλου, τα εύκαμπτα LIB με κυλινδρικά στοιχεία μπορούν να αντέξουν πιο ακραίες και πολύπλοκες παραμορφώσεις. Επομένως, για να αποδειχθεί η ηλεκτροχημική απόδοση των εύκαμπτων LIB της κυλινδρικής μονάδας, η δοκιμή πραγματοποιήθηκε με ρυθμό 1 C, ο οποίος έδειξε ότι όταν η μπαταρία υφίσταται διάφορες παραμορφώσεις, δεν υπάρχει σχεδόν καμία αλλαγή στην ηλεκτροχημική απόδοση. Η παραμόρφωση δεν θα προκαλέσει αλλαγή της καμπύλης τάσης (Εικόνα 4α, β).

Για να αξιολογηθεί περαιτέρω η ηλεκτροχημική σταθερότητα και η μηχανική αντοχή της κυλινδρικής μπαταρίας, υπέβαλε την μπαταρία σε δυναμική αυτοματοποιημένη δοκιμή φορτίου με ρυθμό 1 C. Η έρευνα δείχνει ότι μετά από δυναμική τάνυση (Εικόνα 4c, d), δυναμική στρέψη (Εικόνα 4e, f) , και η δυναμική κάμψη + στρέψη (Εικόνα 4g, h), η απόδοση του κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης της μπαταρίας και η αντίστοιχη καμπύλη τάσης δεν επηρεάζονται. Το σχήμα 4i δείχνει την απόδοση μιας μπαταρίας με μια πολύχρωμη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας. Η χωρητικότητα εκφόρτισης μειώνεται από 133.3 mAm g-1 σε 129.9 mAh g-1 και η απώλεια χωρητικότητας ανά κύκλο είναι μόνο 0.04%, υποδεικνύοντας ότι η παραμόρφωση δεν θα επηρεάσει τη σταθερότητα του κύκλου και την ικανότητα εκφόρτισης.

Σχήμα 4 (α) Δοκιμή κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης διαφορετικών διαμορφώσεων κυλινδρικών στοιχείων στον 1 C. (β) Αντίστοιχες καμπύλες φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας υπό διαφορετικές συνθήκες. (γ, δ) Κυκλική απόδοση και φόρτιση της μπαταρίας υπό δυναμική τάση Καμπύλη εκφόρτισης. ε, στ) την απόδοση κύκλου της μπαταρίας υπό δυναμική στρέψη και την αντίστοιχη καμπύλη φόρτισης-εκφόρτισης σε διαφορετικούς κύκλους· (ζ, η) την απόδοση κύκλου της μπαταρίας υπό δυναμική κάμψη + στρέψη και την αντίστοιχη καμπύλη φόρτισης-εκφόρτισης σε διαφορετικούς κύκλους. (I) Δοκιμή φόρτισης και εκφόρτισης πρισματικών μπαταριών μονάδας με διαφορετικές διαμορφώσεις στον 1 C.

Για να αξιολογήσει την εφαρμογή της αναπτυγμένης ευέλικτης μπαταρίας στην πράξη, ο συγγραφέας χρησιμοποιεί πλήρεις μπαταρίες με διαφορετικούς τύπους μονάδων αποθήκευσης ενέργειας για να τροφοδοτήσει ορισμένα εμπορικά ηλεκτρονικά προϊόντα, όπως ακουστικά, έξυπνα ρολόγια, μίνι ηλεκτρικούς ανεμιστήρες, καλλυντικά εργαλεία και έξυπνα τηλέφωνα. Και τα δύο επαρκούν για καθημερινή χρήση, ενσωματώνουν πλήρως τις δυνατότητες εφαρμογής διαφόρων ευέλικτων και φορητών ηλεκτρονικών προϊόντων.

Το σχήμα 5 εφαρμόζει τη σχεδιασμένη μπαταρία σε ακουστικά, έξυπνα ρολόγια, μίνι ηλεκτρικούς ανεμιστήρες, καλλυντικό εξοπλισμό και smartphone. Η ευέλικτη μπαταρία τροφοδοτεί (α) ακουστικά, (β) smartwatches και (γ) μίνι ηλεκτρικούς ανεμιστήρες. (δ) παρέχει ρεύμα για καλλυντικό εξοπλισμό· (ε) υπό διαφορετικές συνθήκες παραμόρφωσης, η εύκαμπτη μπαταρία τροφοδοτεί με ρεύμα για smartphone.

Περίληψη και προοπτικές

Συνοπτικά, αυτό το άρθρο είναι εμπνευσμένο από τη δομή των ανθρώπινων αρθρώσεων. Προτείνει μια μοναδική μέθοδο σχεδιασμού για την κατασκευή μιας εύκαμπτης μπαταρίας με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, πολλαπλή παραμορφωσιμότητα και ανθεκτικότητα. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά εύκαμπτα LIB, αυτός ο νέος σχεδιασμός μπορεί να αποφύγει αποτελεσματικά την πλαστική παραμόρφωση του τρέχοντος συλλέκτη μετάλλων. Ταυτόχρονα, οι καμπύλες επιφάνειες που δεσμεύονται και στα δύο άκρα της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας που σχεδιάζονται σε αυτό το έγγραφο μπορούν να ανακουφίσουν αποτελεσματικά την τοπική πίεση των διασυνδεδεμένων εξαρτημάτων. Επιπλέον, διαφορετικές μέθοδοι περιέλιξης μπορούν να αλλάξουν το σχήμα της στοίβας, δίνοντας στην μπαταρία επαρκή παραμόρφωση. Η εύκαμπτη μπαταρία παρουσιάζει εξαιρετική σταθερότητα κύκλου και μηχανική αντοχή χάρη στον νέο σχεδιασμό και έχει εκτεταμένες προοπτικές εφαρμογής σε διάφορα ευέλικτα και φορητά ηλεκτρονικά προϊόντα.

Σύνδεσμος λογοτεχνίας

Δομική σχεδίαση εμπνευσμένη από ανθρώπινες αρθρώσεις για εύκαμπτη/αναδιπλούμενη/εκτατή/στρέψιμη μπαταρία: επιτυγχάνοντας πολλαπλή παραμόρφωση. (Ενεργειακό περιβάλλον. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)