Hong Kong CityU EES: Fleksibele lithium-ion-batterij ynspireare troch minsklike gewrichten

Undersykseftergrûn

De tanimmende fraach nei elektroanyske produkten hat de rappe ûntwikkeling fan fleksibele opslachapparaten mei hege enerzjytichtens de lêste jierren befoardere. Fleksibele lithium-ion-batterijen (LIB's) mei hege enerzjytichtens en stabile elektrogemyske prestaasjes wurde beskôge as de meast tasizzende batterijtechnology foar draachbere elektroanyske produkten. Hoewol it gebrûk fan tinne-filmelektroden en polymeer-basearre elektroden de fleksibiliteit fan LIB's dramatysk ferbettert, binne d'r de folgjende problemen:

(1) De measte fleksibele batterijen wurde steapele troch "negative elektrode-separator-positive elektrodes," en harren beheinde deformability en slipping tusken multilayer stacks beheine de totale prestaasjes fan LIBs;

(2) Under wat mear swiere omstannichheden, lykas fold, stretching, winding, en komplekse deformation, it kin net garandearje batterij prestaasjes;

(3) In diel fan 'e ûntwerpstrategy negearret de deformaasje fan' e hjoeddeistige metaalsamler.

Dêrom, tagelyk it berikken fan syn lichte bûghoeke, meardere deformaasjemodi, superieure meganyske duorsumens, en hege enerzjytichtens hat noch in protte útdagings.

Ynlieding

Koartlyn publisearre professor Chunyi Zhi en Dr. Cuiping Han fan 'e City University fan Hong Kong in papier mei de titel "Human joint inspired structural design for bûgbare / foldable / stretchable / twistable battery: it realisearjen fan meardere deformability" op Energy Environ. Sci. Dit wurk waard ynspirearre troch de struktuer fan minsklike gewrichten en ûntwurp in soarte fan fleksibele LIBs fergelykber mei it mienskiplike systeem. Op grûn fan dit nije ûntwerp kin de tariede, fleksibele batterij hege enerzjytichtens berikke en wurde bûgd of sels fold op 180 °. Tagelyk kin de strukturele struktuer feroare wurde troch ferskate wikkelmetoaden, sadat fleksibele LIB's rike deformaasjemooglikheden hawwe, kinne wurde tapast op slimmer en kompleksere deformaasjes (winding en twisting), en kinne sels wurde útwreide, en har deformaasjemooglikheden binne fier boppe eardere rapporten fan fleksibele LIBs. Finite elemint simulaasje analyze befêstige dat de batterij ûntwurpen yn dit papier soe net ûndergean ûnomkearbere plastic deformation fan de hjoeddeiske metalen samler ûnder ferskate hurde en komplekse deformations. Tagelyk kin de gearstalde fjouwerkante ienheidsbatterij in enerzjytichtens berikke fan maksimaal 371.9 Wh / L, wat 92.9% is fan 'e tradisjonele sêfte pakketbatterij. Derneist kin it stabile syklusprestaasjes behâlde, sels nei mear dan 200,000 kear dynamysk bûgen en 25,000 kear dynamyske ferfoarming.

Fierder ûndersyk docht bliken dat de gearstalde silindryske ienheid sel kin tsjin mear slimme en komplekse deformations. Nei mear dan 100,000 dynamyske stretchings, 20,000 twists, en 100,000 bûgdeformaasjes, kin it noch in hege kapasiteit fan mear as 88% berikke - retensjerate. Dêrom jouwe de fleksibele LIB's foarsteld yn dit papier in massaal perspektyf foar praktyske tapassingen yn draachbere elektroanika.

Undersyk hichtepunten

1) Fleksibele LIB's, ynspireare troch minsklike gewrichten, kinne stabile syklusprestaasjes behâlde ûnder bûgen, draaien, streken en slingerjende deformaasjes;

(2) Mei in fjouwerkante fleksibele batterij kin it in enerzjytichtens berikke fan maksimaal 371.9 Wh / L, dat is 92.9% fan 'e tradisjonele soft-pack batterij;

(3) Ferskillende wikkelmetoaden kinne de foarm fan 'e batterijstapel feroarje en de batterij genôch deformabiliteit jaan.

Grafyske gids

Undersyk hat oantoand dat, neist it garandearjen fan hege folume enerzjytichtens en mear komplekse deformaasje, it strukturele ûntwerp ek plastyske deformaasje fan 'e hjoeddeistige samler moat foarkomme. De einige elemint-simulaasje lit sjen dat de bêste metoade fan 'e hjoeddeistige samler wêze moat om te foarkommen dat de hjoeddeistige samler in lyts bûgstraal hat tidens it bûgjenproses om de plastyske deformaasje en ûnomkearbere skea fan' e hjoeddeistige samler te foarkommen.

Figure 1a toant de struktuer fan 'e minsklike gewrichten, dêr't de tûk gruttere bûgde oerflak design helpt de gewrichten te draaie soepel. Op grûn fan dit, figuer 1b toant in typyske grafyt anode / diafragma / lithium cobaltate (LCO) anode, dat kin wurde wûn yn in fjouwerkante dikke stack struktuer. Op it krúspunt bestiet it út twa dikke stive stapels en in fleksibel diel. Noch wichtiger, de dikke stack hat in kromme oerflak lykweardich oan de mienskiplike bonken cover, dat helpt buffer druk en soarget foar de primêre kapasiteit fan de fleksibele batterij. It elastyske diel fungearret as in ligamint, ferbynt dikke stapels en leveret fleksibiliteit (figuer 1c). Neist it wikkeljen yn in fjouwerkante peal kinne batterijen mei silindryske of trijehoekige sellen ek makke wurde troch it feroarjen fan de wikkelmetoade (figuer 1d). Foar fleksibele LIBs mei fjouwerkante enerzjy opslach ienheden, de ûnderling ferbûn segminten sille rôlje lâns de bôge-foarmige oerflak fan 'e dikke stack tidens it bûgen proses (figuer 1e), dêrmei gâns tanimme de enerzjy tichtens fan de fleksibele batterij. Dêrnjonken kinne fleksibele LIB's mei silindryske ienheden troch elastyske polymear-ynkapseling stretchbere en fleksibele eigenskippen berikke (figuer 1f).

figuer 1 (a) It ûntwerp fan unike ligament ferbining en bûgde oerflak is essinsjeel te berikken fleksibiliteit; (b) Skematyske diagram fan fleksibele batterijstruktuer en produksjeproses; (c) bonke komt oerien mei dikker elektrodes stack, en ligament komt oerien mei unrolled (D) Fleksibele batterij struktuer mei silindryske en trijehoekige sellen; (e) Stacking skematyske diagram fan fjouwerkante sellen; (f) Stretching deformation fan silindryske sellen.

Fierder gebrûk fan meganyske simulaasjeanalyse befêstige de stabiliteit fan 'e fleksibele batterijstruktuer. Figuer 2a toant de spanning ferdieling fan koper en aluminium folie doe't bûgd yn in silinder (180 ° radian). De resultaten litte sjen dat de stress fan koper en aluminiumfolie folle leger is as har opbringststerkte, wat oanjout dat dizze ferfoarming gjin plastyske deformaasje sil feroarsaakje. De hjoeddeistige metalen samler kin ûnomkearbere skea foarkomme.

Figure 2b lit de spanning ferdieling as de graad fan bûgen wurdt fierder ferhege, en de stress fan koper folie en aluminium folie is ek minder as harren oerienkommende opbringst sterkte. Dêrom kin de struktuer foldingdeformaasje ferneare, wylst in goede duorsumens behâldt. Neist bûgen deformation, it systeem kin berikke in bepaalde graad fan ferfoarming (figuer 2c).

Foar batterijen mei silindryske ienheden, fanwege de ynherinte skaaimerken fan 'e sirkel, it kin berikke mear strange en komplekse deformation. Dêrom, doe't de batterij wurdt fold oan 180o (figuer 2d, e), spand oant likernôch 140% fan 'e oarspronklike lingte (figuer 2f), en twisted oan 90o (figuer 2g), it kin behâlde meganyske stabiliteit. Dêrneist, doe't bûgen + draaien en winding deformation wurde tapast apart, de ûntwurpen LIBs struktuer sil net feroarsaakje ûnomkearbere plastic deformation fan de hjoeddeiske metalen samler ûnder ferskate swiere en komplekse deformations.

figuer 2 (ac) Finite elemint simulaasje resultaten fan in fjouwerkante sel ûnder bûgen, folding, en twisting; (di) Finite elemint simulaasje resultaten fan in silindryske sel ûnder bûgen, folding, stretching, twisting, bûgen + twisting en winding.

Om de elektrogemyske prestaasjes fan 'e ûntworpen fleksibele batterij te evaluearjen, waard LiCoO2 brûkt as katodemateriaal om de ûntladingskapasiteit en syklusstabiliteit te testen. Lykas werjûn yn figuer 3a, is de ûntladingskapasiteit fan 'e batterij mei fjouwerkante sellen net signifikant fermindere nei't it fleantúch is ferfoarme om te bûgen, ring, fold en ferdraaid by 1 C fergrutting, wat betsjut dat de meganyske deformaasje it ûntwerp fan net feroarsaakje sil. de fleksibele batterij te wêzen electrochemically Performance sakket. Sels nei dynamysk bûgen (Figure 3c, d) en dynamyske torsion (Figure 3e, f), en nei in bepaald oantal syklusen, it opladen en lossen platfoarm en lange-syklus prestaasjes hawwe gjin skynbere feroarings, wat betsjut dat de ynterne struktuer fan de batterij is goed beskerme.

figuer 3 (a) Laden en ûntslach test fan fjouwerkante ienheid batterij ûnder 1C; (b) Oplaad- en ûntslachkromme ûnder ferskillende omstannichheden; (c, d) Under dynamyske bûgen, prestaasjes fan batterijsyklus en oerienkommende lading- en ûntladingskromme; (e, f) Under dynamyske torsion, de syklusprestaasjes fan 'e batterij en de oerienkommende lading-ûntladingskromme ûnder ferskate syklusen.

De resultaten fan 'e simulaasjeanalyse litte sjen dat troch de ynherinte skaaimerken fan' e sirkel de fleksibele LIB's mei silindryske eleminten mear ekstreme en komplekse deformaasjes kinne ferneare. Dêrom, om de elektrogemyske prestaasjes fan 'e fleksibele LIB's fan' e silindryske ienheid te demonstrearjen, waard de test útfierd mei in taryf fan 1 C, dy't oantoand dat as de batterij ferskate deformaasjes ûndergiet, d'r hast gjin feroaring is yn 'e elektrogemyske prestaasjes. De deformaasje sil de spanningskromme net feroarje (figuer 4a, b).

Om de elektrogemyske stabiliteit en meganyske duorsumens fan 'e silindryske batterij fierder te evaluearjen, hat it de batterij ûnderwurpen oan in dynamyske automatisearre loadtest mei in taryf fan 1 C. Undersyk lit sjen dat nei dynamyske stretching (figuer 4c, d), dynamyske torsion (figuer 4e, f) , en dynamyske bûgen + torsion (figuer 4g, h), de prestaasjes fan 'e batterijlading-ûntladingssyklus en de oerienkommende spanningskromme wurde net beynfloede. Figuer 4i toant de prestaasjes fan in batterij mei in kleurige enerzjy opslach ienheid. De ûntladingskapasiteit ferfalt fan 133.3 mAm g-1 oant 129.9 mAh g-1, en it kapasiteitsferlies per syklus is mar 0.04%, wat oanjout dat deformaasje gjin ynfloed hat op syn syklusstabiliteit en ûntladingskapasiteit.

figuer 4 (a) Laad- en ûntladingssyklustest fan ferskate konfiguraasjes fan silindryske sellen by 1 C; (b) oerienkommende lading- en ûntladingskurven fan 'e batterij ûnder ferskate omstannichheden; (c, d) Cycle prestaasjes en lading fan de batterij ûnder dynamyske spanning Discharge kromme; (e, f) de syklusprestaasjes fan 'e batterij ûnder dynamyske torsion en de oerienkommende lading-ûntladingskromme ûnder ferskate syklusen; (g, h) de syklusprestaasjes fan 'e batterij ûnder dynamyske bûgen + torsion en de oerienkommende lading-ûntladingskromme ûnder ferskate syklusen; (I) Laad- en ûntladingstest fan prismatyske ienheidsbatterijen mei ferskate konfiguraasjes by 1 C.

Om de tapassing fan 'e ûntwikkele fleksibele batterij yn' e praktyk te evaluearjen, brûkt de auteur folsleine batterijen mei ferskate soarten enerzjyopslach-ienheden om guon kommersjele elektroanyske produkten te betsjinjen, lykas earphones, smartwatches, mini-elektryske fans, kosmetyske ynstruminten en smart phones. Beide binne genôch foar deistich gebrûk, folslein ferbyldzje it tapassingspotensiaal fan ferskate fleksibele en draachbere elektroanyske produkten.

Figuer 5 jildt de ûntworpen batterij foar earphones, smartwatches, mini elektryske fans, kosmetyske apparatuer en smartphones. De fleksibele batterij leveret stroom foar (a) earphones, (b) smartwatches, en (c) mini elektryske fans; (d) leveret macht foar kosmetyske apparatuer; (e) ûnder ferskate deformaasjebetingsten leveret de fleksibele batterij macht foar smartphones.

Gearfetting en útsjoch

Gearfetsjend is dit artikel ynspirearre troch de struktuer fan minsklike gewrichten. It stelt in unike ûntwerpmetoade foar foar it meitsjen fan in fleksibele batterij mei hege enerzjytichtens, meardere deformabiliteit en duorsumens. Yn ferliking mei tradisjonele fleksibele LIB's kin dit nije ûntwerp de plastyske deformaasje fan 'e hjoeddeistige metalsamler effektyf foarkomme. Tagelyk kinne de bûgde oerflakken reservearre oan beide úteinen fan 'e enerzjyopslach-ienheid ûntworpen yn dit papier de pleatslike stress fan' e meiinoar ferbûne komponinten effektyf ferminderje. Dêrnjonken kinne ferskate wikkelmetoaden de foarm fan 'e stapel feroarje, wêrtroch't de batterij genôch deformabiliteit jout. De fleksibele batterij toant poerbêste syklusstabiliteit en meganyske duorsumens tank oan it nije ûntwerp en hat wiidweidige tapassingsperspektiven yn ferskate fleksibele en draachbere elektroanyske produkten.

Literatuer keppeling

Human joint-ynspirearre struktureel ûntwerp foar bûgbare / foldable / stretchable / twistable batterij: it berikken fan meardere deformability. (Enerzjy Omjouwing. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)