Hong Kong CityU EES: Fleksebla litiojona baterio inspirita de homaj artikoj

Esplora Fono

La kreskanta postulo je elektronikaj produktoj antaŭenigis la rapidan disvolviĝon de flekseblaj kaj alt-energi-densecaj stokaj aparatoj en la lastaj jaroj. Flekseblaj litiojonaj kuirilaroj (LIBs) kun alta energia denseco kaj stabila elektrokemia agado estas konsideritaj la plej promesplena bateria teknologio por porteblaj elektronikaj produktoj. Kvankam la uzo de maldikfilmaj elektrodoj kaj polimer-bazitaj elektrodoj dramece plibonigas la flekseblecon de LIBoj, ekzistas la sekvaj problemoj:

(1) La plej multaj flekseblaj baterioj estas stakigitaj per "negativa elektrodo-apartiga-pozitiva elektrodo", kaj ilia limigita deformebleco kaj glitado inter plurtavolaj stakoj limigas la totalan agadon de LIBoj;

(2) Sub iuj pli severaj kondiĉoj, kiel faldado, streĉado, volvaĵo kaj kompleksa deformado, ĝi ne povas garantii baterian rendimenton;

(3) Parto de la dezajnostrategio ignoras la deformadon de la nuna metalkolektilo.

Tial, samtempe atingi ĝian iometan fleksan angulon, multoblajn deformajn reĝimojn, superan mekanikan fortikecon kaj altan energian densecon ankoraŭ alfrontas multajn defiojn.

Enkonduko

Lastatempe, Profesoro Chunyi Zhi kaj D-ro Cuiping Han de la Urba Universitato de Honkongo publikigis artikolon kun la titolo "Homa artiko inspirita struktura dezajno por fleksebla/faldebla/stretchebla/tordebla kuirilaro: atingi multoblan deformeblecon" en Energy Environ. Sci. Ĉi tiu laboro estis inspirita de la strukturo de homaj artikoj kaj dizajnis specon de flekseblaj LIBoj similaj al la komuna sistemo. Surbaze de ĉi tiu nova dezajno, la preta, fleksebla kuirilaro povas atingi altan energian densecon kaj esti fleksita aŭ eĉ faldita je 180°. Samtempe, la struktura strukturo povas esti ŝanĝita per malsamaj volvaĵmetodoj tiel ke flekseblaj LIB-oj havas riĉajn deformajn kapablojn, povas esti aplikitaj al pli severaj kaj kompleksaj deformadoj (volvado kaj tordado), kaj eĉ povas esti etendita, kaj iliaj deformaj kapabloj estas multe preter antaŭaj raportoj pri flekseblaj LIBoj. Finhava elementa simulad-analizo konfirmis, ke la baterio desegnita en ĉi tiu artikolo ne spertus nemaligeblan plastan deformadon de la nuna metalkolektilo sub diversaj severaj kaj kompleksaj deformadoj. Samtempe, la kunvenita kvadrata unuobaterio povas atingi energian densecon de ĝis 371.9 Wh/L, kio estas 92.9% de la tradicia mola paka baterio. Krome, ĝi povas konservi stabilan ciklan rendimenton eĉ post pli ol 200,000 fojojn de dinamika fleksado kaj 25,000 fojojn de dinamika distordo.

Plia esplorado montras, ke la kunvenita cilindra unuoĉelo povas elteni pli severajn kaj kompleksajn deformadojn. Post pli ol 100,000 dinamikaj streĉadoj, 20,000 tordoj kaj 100,000 fleksaj deformadoj, ĝi ankoraŭ povas atingi altan kapaciton de pli ol 88% - retenprocento. Tial, la flekseblaj LIBoj proponitaj en ĉi tiu artikolo disponigas masivan perspektivon por praktikaj aplikoj en portebla elektroniko.

Esploro elstarigas

1) Flekseblaj LIB-oj, inspiritaj de homaj artikoj, povas konservi stabilan ciklan rendimenton sub fleksado, tordado, streĉado kaj volvaĵo deformadoj;

(2) Kun kvadrata fleksebla kuirilaro, ĝi povas atingi energian densecon de ĝis 371.9 Wh/L, kio estas 92.9% de la tradicia mola paka kuirilaro;

(3) Malsamaj bobenaj metodoj povas ŝanĝi la formon de la kuirilaro kaj doni al la kuirilaro sufiĉan deformeblecon.

Grafika gvidilo

Esplorado montris, ke, krom certigado de alta volumena energidenseco kaj pli kompleksa deformado, la struktura dezajno ankaŭ devas eviti plastan deformadon de la nuna kolektanto. La finhava elementa simulado montras, ke la plej bona metodo de la nuna kolektanto devus esti malhelpi la nunan kolektanton havi malgrandan fleksan radiuson dum la fleksa procezo por eviti la plastan deformadon kaj nemaligeblan damaĝon de la nuna kolektanto.

Figuro 1a montras la strukturon de la homaj artikoj, en kiuj la lerte pli granda kurba surfaca dezajno helpas la artikojn glate rotacii. Surbaze de tio, Figuro 1b montras tipan grafitan anodon/diafragmon/litian kobaltato (LCO) anodon, kiu povas esti bobenita en kvadratan dikan stakstrukturon. Ĉe la krucvojo, ĝi konsistas el du dikaj rigidaj stakoj kaj fleksebla parto. Pli grave, la dika stako havas kurban surfacon ekvivalentan al la artika osta kovrilo, kiu helpas bufran premon kaj disponigas la primaran kapaciton de la fleksebla baterio. La elasta parto funkcias kiel ligamento, konektante dikajn stakojn kaj havigante flekseblecon (Figuro 1c). Krom bobeni en kvadratan amason, kuirilaroj kun cilindraj aŭ triangulaj ĉeloj ankaŭ povas esti fabrikitaj ŝanĝante la bobenan metodon (Figuro 1d). Por flekseblaj LIBoj kun kvadrataj energistokaj unuoj, la interligitaj segmentoj ruliĝos laŭ la arkforma surfaco de la dika stako dum la fleksa procezo (Figuro 1e), tiel signife pliigante la energian densecon de la fleksebla baterio. Krome, per elasta polimera enkapsuliĝo, flekseblaj LIBoj kun cilindraj unuoj povas atingi streĉeblajn kaj flekseblajn ecojn (Figuro 1f).

Figuro 1 (a) La dezajno de unika ligamenta konekto kaj kurba surfaco estas esenca por atingi flekseblecon; (b) Skema diagramo de fleksebla bateria strukturo kaj fabrikado; (c) osto respondas al pli dika elektrodstako, kaj ligamento respondas al malrulita (D) Fleksebla bateriostrukturo kun cilindraj kaj triangulaj ĉeloj; (e) Stakiga skema diagramo de kvadrataj ĉeloj; (f) Streĉa deformado de cilindraj ĉeloj.

Plia uzo de mekanika simulada analizo konfirmis la stabilecon de la fleksebla bateria strukturo. Figuro 2a montras la streĉan distribuon de kupro kaj aluminia folio kiam fleksita en cilindron (180° radiano). La rezultoj montras, ke la streso de kupro kaj aluminia folio estas multe pli malalta ol ilia cedebleco, indikante, ke ĉi tiu deformado ne kaŭzos plastan deformadon. La nuna metalkolektilo povas eviti neinversigeblajn damaĝojn.

Figuro 2b montras la streĉan distribuon kiam la grado de fleksado pliiĝas, kaj la streso de kupra folio kaj aluminia folio estas ankaŭ malpli ol ilia responda forto de rendimento. Tial, la strukturo povas elteni faldeblan deformadon konservante bonan fortikecon. Krom fleksa deformado, la sistemo povas atingi certan gradon da distordo (Figuro 2c).

Por kuirilaroj kun cilindraj unuoj, pro la enecaj trajtoj de la cirklo, ĝi povas atingi pli severan kaj kompleksan deformadon. Tial, kiam la baterio estas faldita al 180o (Figuro 2d, e), etendita al ĉirkaŭ 140% de la originala longo (Figuro 2f), kaj tordita al 90o (Figuro 2g), ĝi povas konservi mekanikan stabilecon. Krome, kiam fleksado + tordado kaj volvaĵo deformado estas aplikataj aparte, la desegnita LIBs-strukturo ne kaŭzos neinversigeblan plastan deformadon de la nuna metalkolektilo sub diversaj severaj kaj kompleksaj deformadoj.

Figuro 2 (ac) Finhava elemento simuladrezultoj de kvadrata ĉelo sub fleksado, faldado kaj tordado; (di) Finaelementa simulado rezultoj de cilindra ĉelo sub fleksado, faldado, streĉado, tordado, fleksado + tordado kaj volvaĵo.

Por taksi la elektrokemian agadon de la desegnita fleksebla baterio, LiCoO2 estis utiligita kiel la katoda materialo por testi la senŝargiĝkapaciton kaj ciklostabilecon. Kiel montrite en Figuro 3a, la senŝargiĝkapacito de la baterio kun kvadrataj ĉeloj ne estas signife reduktita post kiam la aviadilo estas deformita por fleksi, ringi, faldi kaj tordi je 1 C pligrandigo, kio signifas, ke la mekanika deformado ne kaŭzos la dezajnon de la fleksebla kuirilaro esti elektrokemie Performance gutoj. Eĉ post dinamika fleksado (Figuro 3c, d) kaj dinamika tordo (Figuro 3e, f), kaj post certa nombro da cikloj, la ŝarĝa kaj malŝarĝa platformo kaj longcikla agado ne havas ŝajnajn ŝanĝojn, kio signifas, ke la interna strukturo de la kuirilaro estas bone protektita.

Figuro 3 (a) Ŝarĝo kaj malŝarĝo-testo de kvadrata unuobaterio sub 1C; (b) Ŝarĝo kaj malŝarĝa kurbo sub malsamaj kondiĉoj; (c, d) Sub dinamika fleksado, bateria cikla agado kaj responda ŝargo kaj malŝarĝa kurbo; (e, f) Sub dinamika tordo, la cikla agado de la baterio kaj la responda ŝargo-malŝarĝa kurbo sub malsamaj cikloj.

La simulaj analizrezultoj montras, ke danke al la enecaj trajtoj de la cirklo, la flekseblaj LIBoj kun cilindraj elementoj povas elteni pli ekstremajn kaj kompleksajn deformadojn. Tial, por pruvi la elektrokemian agadon de la flekseblaj LIB-oj de la cilindra unuo, la provo estis farita kun rapideco de 1 C, kio montris, ke kiam la baterio suferas diversajn deformadojn, preskaŭ ne estas ŝanĝo en la elektrokemia agado. La deformado ne igos la tensiokurbon ŝanĝiĝi (Figuro 4a, b).

Por plue taksi la elektrokemian stabilecon kaj mekanikan fortikecon de la cilindra baterio, ĝi submetis la kuirilaron al dinamika aŭtomatigita ŝarĝtesto kun rapideco de 1 C. Esplorado montras, ke post dinamika streĉado (Figuro 4c, d), dinamika tordo (Figuro 4e, f) , kaj dinamika fleksado + tordo (Figuro 4g, h), la bateria ŝargo-malŝarĝa ciklo-agado kaj la responda tensiokurbo ne estas tuŝitaj. Figuro 4i montras la agadon de baterio kun bunta energistoka unuo. La malŝarĝa kapacito malpliiĝas de 133.3 mAm g-1 ĝis 129.9 mAh g-1, kaj la kapacitperdo por ciklo estas nur 0.04%, indikante ke deformado ne influos ĝian ciklan stabilecon kaj malŝarĝan kapaciton.

Figuro 4 (a) Ŝarĝo kaj malŝarĝa ciklo-testo de malsamaj agordoj de cilindraj ĉeloj ĉe 1 C; (b) Ekvivalentaj ŝargaj kaj malŝarĝaj kurboj de la baterio sub malsamaj kondiĉoj; (c, d) Cikla rendimento kaj ŝarĝo de la baterio sub dinamika streĉiĝo Malŝarĝa kurbo; (e, f) la cikla agado de la baterio sub dinamika tordo kaj la responda ŝargo-malŝarĝa kurbo sub malsamaj cikloj; (g, h) la cikla rendimento de la baterio sub dinamika fleksado + tordo kaj la responda ŝargo-malŝarĝa kurbo sub malsamaj cikloj; (I) Testo pri ŝargo kaj malŝarĝo de prismaj unubaterioj kun malsamaj agordoj je 1 C.

Por taksi la aplikon de la evoluinta fleksebla baterio en la praktiko, la aŭtoro uzas plenajn bateriojn kun malsamaj specoj de energistokaj unuoj por funkciigi iujn komercajn elektronikajn produktojn, kiel aŭdilojn, inteligentajn horloĝojn, minielektajn ventumilojn, kosmetikaj instrumentoj kaj inteligentajn telefonojn. Ambaŭ sufiĉas por ĉiutaga uzo, plene enkorpigas la aplikan potencialon de diversaj flekseblaj kaj porteblaj elektronikaj produktoj.

Figuro 5 aplikas la desegnitan kuirilaron al aŭdiloj, inteligentaj horloĝoj, mini-elektraj ventumiloj, kosmetikaj ekipaĵoj kaj saĝtelefonoj. La fleksebla baterio provizas potencon por (a) aŭdiloj, (b) inteligentaj horloĝoj, kaj (c) mini-elektraj ventumiloj; (d) provizas potencon por kosmetikaj ekipaĵoj; (e) sub malsamaj deformaj kondiĉoj, la fleksebla baterio provizas potencon por saĝtelefonoj.

Resumo kaj perspektivo

En resumo, ĉi tiu artikolo estas inspirita de la strukturo de homaj artikoj. Ĝi proponas unikan projektan metodon por produkti flekseblan kuirilaron kun alta energia denseco, multobla deformebleco kaj fortikeco. Kompare kun tradiciaj flekseblaj LIB-oj, ĉi tiu nova dezajno povas efike eviti la plastan deformadon de la nuna metalkolektilo. Samtempe, la kurbaj surfacoj rezervitaj ĉe ambaŭ finoj de la energistoka unuo desegnita en ĉi tiu papero povas efike malpezigi la lokan streĉon de la interligitaj komponantoj. Krome, malsamaj volvaĵmetodoj povas ŝanĝi la formon de la stako, donante al la baterio sufiĉan deformeblecon. La fleksebla kuirilaro elmontras bonegan ciklostabilecon kaj mekanikan fortikecon danke al la nova dezajno kaj havas ampleksajn aplikajn perspektivojn en diversaj flekseblaj kaj porteblaj elektronikaj produktoj.

Literatura ligilo

Homa artiko-inspirita struktura dezajno por fleksebla/faldebla/streĉigebla/tordebla kuirilaro: atingante multoblan deformeblecon. (Energio Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)