Hong Kong CityU EES: Elastyczna bateria litowo-jonowa inspirowana ludzkimi stawami

Badania tle

Rosnące zapotrzebowanie na produkty elektroniczne sprzyjało w ostatnich latach szybkiemu rozwojowi elastycznych urządzeń magazynujących o wysokiej gęstości energii. Elastyczne baterie litowo-jonowe (LIB) o wysokiej gęstości energii i stabilnej wydajności elektrochemicznej uważane są za najbardziej obiecującą technologię akumulatorów do ubieralnych produktów elektronicznych. Chociaż zastosowanie elektrod cienkowarstwowych i elektrod polimerowych znacznie poprawia elastyczność LIB, istnieją następujące problemy:

(1) Większość elastycznych akumulatorów jest układana w stosy za pomocą „elektrody ujemnej-separator-dodatniej”, a ich ograniczona odkształcalność i poślizg między wielowarstwowymi stosami ograniczają ogólną wydajność akumulatorów LIB;

(2) W niektórych bardziej surowych warunkach, takich jak składanie, rozciąganie, nawijanie i złożone deformacje, nie może zagwarantować wydajności akumulatora;

(3) Część strategii projektowej ignoruje deformację obecnego kolektora metalu.

Dlatego jednoczesne osiągnięcie niewielkiego kąta gięcia, wielu trybów odkształcenia, doskonałej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej gęstości energii, wciąż napotyka wiele wyzwań.

Wprowadzenie

Niedawno profesor Chunyi Zhi i dr Cuiping Han z City University of Hong Kong opublikowali artykuł zatytułowany „Projekt konstrukcyjny inspirowany ludzkim stawem dla zginanej/składanej/rozciągliwej/skręcanej baterii: osiąganie wielokrotnej odkształcalności” w Energy Environ. Nauka. Ta praca została zainspirowana strukturą ludzkich stawów i zaprojektowała rodzaj elastycznych LIB podobnych do systemu stawów. W oparciu o tę nowatorską konstrukcję przygotowana, elastyczna bateria może osiągnąć wysoką gęstość energii i być zginana, a nawet składana pod kątem 180°. Jednocześnie struktura konstrukcyjna może być zmieniana za pomocą różnych metod nawijania, dzięki czemu elastyczne LIB mają bogate możliwości odkształcania, mogą być stosowane do bardziej poważnych i złożonych odkształceń (zwijanie i skręcanie), a nawet mogą być rozciągane, a ich możliwości odkształcania są daleko poza poprzednie raporty elastycznych LIB. Analiza symulacji elementów skończonych potwierdziła, że ​​bateria zaprojektowana w tym artykule nie ulegnie nieodwracalnym odkształceniom plastycznym metalowego kolektora prądu pod wpływem różnych ostrych i złożonych odkształceń. Jednocześnie zmontowany kwadratowy akumulator może osiągnąć gęstość energii do 371.9 Wh/L, co stanowi 92.9% tradycyjnego akumulatora typu soft pack. Ponadto może utrzymać stabilną wydajność cyklu nawet po ponad 200,000 25,000-krotnym dynamicznym zginaniu i XNUMX XNUMX-krotnym dynamicznym zniekształceniu.

Dalsze badania pokazują, że zmontowana cylindryczna komórka elementarna może wytrzymać bardziej poważne i złożone deformacje. Po ponad 100,000 20,000 dynamicznych rozciągnięć, 100,000 88 skrętów i XNUMX XNUMX odkształceń zginających, nadal może osiągnąć wysoką wydajność ponad XNUMX% — współczynnik retencji. Dlatego elastyczne LIB zaproponowane w tym artykule zapewniają ogromną perspektywę praktycznych zastosowań w elektronice do noszenia.

Najważniejsze wyniki badań

1) Elastyczne LIB, inspirowane ludzkimi stawami, mogą utrzymać stabilną wydajność cyklu podczas zginania, skręcania, rozciągania i deformacji nawijania;

(2) Dzięki kwadratowemu elastycznemu akumulatorowi może osiągnąć gęstość energii do 371.9 Wh/L, co stanowi 92.9% tradycyjnego akumulatora z miękkim opakowaniem;

(3) Różne metody nawijania mogą zmienić kształt stosu baterii i zapewnić wystarczającą odkształcalność baterii.

Przewodnik graficzny

Badania wykazały, że oprócz zapewnienia dużej gęstości energii objętościowej i bardziej złożonego odkształcenia, projekt konstrukcyjny musi również zapobiegać odkształceniom plastycznym kolektora prądu. Symulacja elementów skończonych pokazuje, że najlepszą metodą kolektora prądu powinno być zapobieganie temu, aby kolektor prądu miał mały promień gięcia podczas procesu gięcia, aby uniknąć odkształcenia plastycznego i nieodwracalnego uszkodzenia kolektora prądu.

Rysunek 1a pokazuje strukturę ludzkich stawów, w której sprytnie większa zakrzywiona powierzchnia pomaga stawom obracać się płynnie. Na tej podstawie rysunek 1b przedstawia typową anodę grafitową/przeponę/kobaltan litu (LCO), którą można zwinąć w kwadratową strukturę o grubym stosie. Na skrzyżowaniu składa się z dwóch grubych sztywnych stosów i elastycznej części. Co ważniejsze, gruby stos ma zakrzywioną powierzchnię odpowiadającą osłonie kości stawowej, co pomaga buforować ciśnienie i zapewnia podstawową pojemność elastycznej baterii. Część elastyczna działa jak więzadło, łącząc grube stosy i zapewniając elastyczność (ryc. 1c). Oprócz nawijania w stos kwadratowy, baterie z ogniwami cylindrycznymi lub trójkątnymi można również wytwarzać poprzez zmianę metody nawijania (rysunek 1d). W przypadku elastycznych LIB z kwadratowymi jednostkami magazynowania energii, połączone ze sobą segmenty będą toczyć się wzdłuż łukowatej powierzchni grubego stosu podczas procesu gięcia (rysunek 1e), tym samym znacznie zwiększając gęstość energii elastycznego akumulatora. Ponadto, dzięki elastycznej enkapsulacji polimerowej, elastyczne LIB z jednostkami cylindrycznymi mogą osiągnąć rozciągliwe i elastyczne właściwości (rysunek 1f).

Rysunek 1 (a) Konstrukcja unikalnego połączenia więzadłowego i zakrzywionej powierzchni jest niezbędna do osiągnięcia elastyczności; (b) Schemat ideowy elastycznej struktury baterii i procesu produkcyjnego; (c) kość odpowiada grubszemu stosowi elektrod, a więzadło odpowiada rozwiniętej (D) Elastycznej strukturze baterii z cylindrycznymi i trójkątnymi ogniwami; (e) Schemat układania komórek kwadratowych; (f) Odkształcenie rozciągające komórek cylindrycznych.

Dalsze wykorzystanie analizy symulacji mechanicznej potwierdziło stabilność elastycznej struktury baterii. Rysunek 2a przedstawia rozkład naprężeń folii miedzianej i aluminiowej podczas zginania w cylinder (180° radian). Wyniki pokazują, że naprężenie folii miedzianej i aluminiowej jest znacznie niższe niż ich granica plastyczności, co wskazuje, że odkształcenie to nie spowoduje odkształcenia plastycznego. Obecny kolektor metalowy może zapobiec nieodwracalnym uszkodzeniom.

Rysunek 2b pokazuje rozkład naprężeń, gdy stopień zginania jest dalej zwiększany, a naprężenie folii miedzianej i folii aluminiowej jest również mniejsze niż ich odpowiednia granica plastyczności. Dzięki temu konstrukcja może wytrzymać odkształcenia podczas składania, zachowując przy tym dobrą trwałość. Oprócz odkształcenia gięcia, system może osiągnąć pewien stopień zniekształcenia (rysunek 2c).

W przypadku akumulatorów z jednostkami cylindrycznymi, ze względu na nieodłączną charakterystykę koła, może osiągnąć bardziej dotkliwe i złożone odkształcenie. Dlatego też, gdy bateria jest złożona do 180o (rysunek 2d, e), rozciągnięta do około 140% pierwotnej długości (rysunek 2f) i skręcona do 90° (rysunek 2g), może zachować stabilność mechaniczną. Ponadto, gdy zginanie + skręcanie i odkształcenia uzwojenia są stosowane oddzielnie, zaprojektowana konstrukcja LIB nie spowoduje nieodwracalnych odkształceń plastycznych bieżącego metalowego kolektora pod różnymi poważnymi i złożonymi odkształceniami.

Rysunek 2 (ac) Wyniki symulacji elementów skończonych kwadratowej komórki podczas zginania, składania i skręcania; (di) Wyniki symulacji elementów skończonych cylindrycznej komórki poddanej zginaniu, składaniu, rozciąganiu, skręcaniu, zginaniu + skręcaniu i nawijaniu.

Aby ocenić wydajność elektrochemiczną zaprojektowanego elastycznego akumulatora, jako materiał katodowy zastosowano LiCoO2 do testowania zdolności rozładowania i stabilności cyklu. Jak pokazano na rysunku 3a, pojemność rozładowania baterii o kwadratowych ogniwach nie zmniejsza się znacząco po odkształceniu płaszczyzny w celu zgięcia, pierścienia, zgięcia i skręcenia przy powiększeniu 1 C, co oznacza, że ​​odkształcenie mechaniczne nie spowoduje konstrukcji elastyczny akumulator ma być elektrochemicznie Wydajność spada. Nawet po dynamicznym zginaniu (rysunek 3c, d) i dynamicznym skręcaniu (rysunek 3e, f) oraz po określonej liczbie cykli platforma ładowania i rozładowywania oraz wydajność w długim cyklu nie ulegają widocznym zmianom, co oznacza, że ​​wewnętrzna struktura bateria jest dobrze zabezpieczona.

Rysunek 3 (a) Test ładowania i rozładowania akumulatora jednostki kwadratowej poniżej 1C; (b) Krzywa ładowania i rozładowania w różnych warunkach; (c, d) W warunkach dynamicznego zginania, wydajność cyklu akumulatora i odpowiadająca mu krzywa ładowania i rozładowania; (e, f) W warunkach dynamicznego skręcania, osiągi akumulatora w cyklu oraz odpowiadająca mu krzywa ładowania-rozładowania w różnych cyklach.

Wyniki analizy symulacyjnej pokazują, że dzięki nieodłącznym właściwościom koła elastyczne LIB z elementami cylindrycznymi mogą wytrzymać bardziej ekstremalne i złożone odkształcenia. Dlatego, aby zademonstrować wydajność elektrochemiczną elastycznych LIB jednostki cylindrycznej, test przeprowadzono z szybkością 1 C, co wykazało, że gdy bateria ulega różnym odkształceniom, prawie nie ma zmiany wydajności elektrochemicznej. Odkształcenie nie spowoduje zmiany krzywej napięcia (rysunek 4a, b).

W celu dalszej oceny stabilności elektrochemicznej i wytrzymałości mechanicznej cylindrycznego akumulatora poddano go dynamicznemu, zautomatyzowanemu testowi obciążenia z szybkością 1 C. Badania pokazują, że po dynamicznym rozciąganiu (rysunek 4c, d), dynamiczne skręcanie (rysunek 4e, f) i dynamiczne zginanie + skręcanie (rysunek 4g, h), wydajność cyklu ładowania-rozładowania akumulatora i odpowiadająca mu krzywa napięcia nie ulegają zmianie. Rysunek 4i przedstawia wydajność baterii z kolorowym magazynem energii. Pojemność rozładowania spada od 133.3 mAm g-1 do 129.9 mAh g-1, a utrata pojemności na cykl wynosi tylko 0.04%, co wskazuje, że odkształcenie nie wpłynie na stabilność cyklu i zdolność rozładowania.

Rysunek 4 (a) Test cyklu ładowania i rozładowania różnych konfiguracji ogniw cylindrycznych w temperaturze 1 C; (b) Odpowiednie krzywe ładowania i rozładowania akumulatora w różnych warunkach; (c, d) Wydajność cyklu i ładowanie akumulatora przy dynamicznym naprężeniu Krzywa rozładowania; e, f) charakterystyka cyklu akumulatora przy dynamicznym skręcaniu i odpowiadająca mu krzywa ładowania-rozładowania w różnych cyklach; (g, h) wydajność cykliczna akumulatora w warunkach dynamicznego zginania + skręcania oraz odpowiadająca krzywa ładowania-rozładowania w różnych cyklach; (I) Test ładowania i rozładowania baterii pryzmatycznych o różnych konfiguracjach w temperaturze 1 C.

Aby ocenić zastosowanie opracowanej elastycznej baterii w praktyce, autor wykorzystuje pełne baterie z różnymi typami magazynów energii do zasilania niektórych komercyjnych produktów elektronicznych, takich jak słuchawki, smartwatche, miniwentylatory elektryczne, przyrządy kosmetyczne i smartfony. Oba są wystarczające do codziennego użytku, w pełni urzeczywistniają potencjał zastosowań różnych elastycznych i nadających się do noszenia produktów elektronicznych.

Rysunek 5 dotyczy zaprojektowanych baterii do słuchawek, smartwatchów, miniwentylatorów elektrycznych, sprzętu kosmetycznego i smartfonów. Elastyczna bateria zasila (a) słuchawki, (b) smartwatche i (c) mini wentylatory elektryczne; d) dostarcza energię do sprzętu kosmetycznego; e) w różnych warunkach deformacji elastyczna bateria zasila smartfony.

Podsumowanie i perspektywy

Podsumowując, artykuł ten jest inspirowany budową ludzkich stawów. Proponuje unikalną metodę projektowania umożliwiającą produkcję elastycznej baterii o wysokiej gęstości energii, wielokrotnej odkształcalności i trwałości. W porównaniu z tradycyjnymi elastycznymi LIB, ta nowa konstrukcja może skutecznie zapobiegać odkształceniom plastycznym obecnego kolektora metalowego. Jednocześnie zakrzywione powierzchnie zarezerwowane na obu końcach jednostki magazynowania energii zaprojektowanej w tym artykule mogą skutecznie złagodzić lokalne naprężenia połączonych elementów. Ponadto różne metody nawijania mogą zmienić kształt stosu, zapewniając akumulatorowi wystarczającą odkształcalność. Elastyczny akumulator charakteryzuje się doskonałą stabilnością cyklu i trwałością mechaniczną dzięki nowatorskiej konstrukcji i ma szerokie możliwości zastosowania w różnych elastycznych i nadających się do noszenia produktach elektronicznych.

Link do literatury

Zainspirowany ludzkimi stawami projekt konstrukcyjny baterii zginanej/składanej/rozciągliwej/skręcanej: osiągnięcie wielokrotnej odkształcalności. (Środowisko energetyczne. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)