Tahanan / Blog / Kaalaman sa Baterya / Hong Kong CityU EES: Flexible na baterya ng lithium-ion na inspirasyon ng mga kasukasuan ng tao

Hong Kong CityU EES: Flexible na baterya ng lithium-ion na inspirasyon ng mga kasukasuan ng tao

15 Oktubre, 2021

By hoppt

Background ng Pananaliksik

Ang pagtaas ng demand para sa mga produktong elektroniko ay nagsulong ng mabilis na pag-unlad ng mga nababaluktot at mataas na enerhiya-density na storage device sa mga nakaraang taon. Mga nababaluktot na baterya ng lithium ion (LIBs) na may mataas na density ng enerhiya at stable na electrochemical performance ay itinuturing na pinaka-promising na teknolohiya ng baterya para sa naisusuot na mga produktong elektroniko. Bagama't ang paggamit ng thin-film electrodes at polymer-based electrodes ay kapansin-pansing nagpapabuti sa flexibility ng LIBs, may mga sumusunod na problema:

(1) Karamihan sa mga flexible na baterya ay nakasalansan ng "negative electrode-separator-positive electrode," at ang kanilang limitadong deformability at slippage sa pagitan ng multilayer stack ay naghihigpit sa pangkalahatang pagganap ng LIB;

(2) Sa ilalim ng ilang mas malubhang kundisyon, tulad ng pagtitiklop, pag-uunat, paikot-ikot, at kumplikadong pagpapapangit, hindi nito magagarantiya ang pagganap ng baterya;

(3) Ang bahagi ng diskarte sa disenyo ay binabalewala ang pagpapapangit ng kasalukuyang kolektor ng metal.

Samakatuwid, ang sabay-sabay na pagkamit ng bahagyang baluktot na anggulo nito, maramihang mga deformation mode, superyor na mekanikal na tibay, at mataas na density ng enerhiya ay nahaharap pa rin sa maraming hamon.

pagpapakilala

Kamakailan, si Propesor Chunyi Zhi at Dr. Cuiping Han ng City University of Hong Kong ay naglathala ng isang papel na pinamagatang "Human joint inspired structural design for bendable/foldable/stretchable/twistable na baterya: achieving multiple deformability" sa Energy Environ. Sci. Ang gawaing ito ay inspirasyon ng istruktura ng mga kasukasuan ng tao at nagdisenyo ng isang uri ng nababaluktot na LIB na katulad ng pinagsamang sistema. Batay sa disenyo ng nobela na ito, ang handa, nababaluktot na baterya ay maaaring makamit ang mataas na density ng enerhiya at maging baluktot o kahit na nakatiklop sa 180°. Kasabay nito, ang istruktura ng istruktura ay maaaring mabago sa pamamagitan ng iba't ibang mga paraan ng paikot-ikot upang ang mga nababaluktot na LIB ay may mayaman na mga kakayahan sa pagpapapangit, maaaring mailapat sa mas malubha at kumplikadong mga deformasyon (paikot-ikot at pag-twist), at maaari pa ring maiunat, at ang kanilang mga kakayahan sa pagpapapangit ay higit pa sa mga naunang ulat ng mga nababaluktot na LIB. Kinumpirma ng pagtatasa ng simulation na may hangganan na ang baterya na idinisenyo sa papel na ito ay hindi sasailalim sa hindi maibabalik na plastic deformation ng kasalukuyang kolektor ng metal sa ilalim ng iba't ibang malupit at kumplikadong mga deformation. Kasabay nito, ang naka-assemble na square unit na baterya ay makakamit ang density ng enerhiya na hanggang 371.9 Wh/L, na 92.9% ng tradisyonal na soft pack na baterya. Bilang karagdagan, maaari itong mapanatili ang matatag na pagganap ng cycle kahit na pagkatapos ng higit sa 200,000 beses ng dynamic na baluktot at 25,000 beses ng dynamic na pagbaluktot.

Ang karagdagang pananaliksik ay nagpapakita na ang pinagsama-samang cylindrical unit cell ay makatiis ng mas malala at kumplikadong mga deformation. Pagkatapos ng mahigit 100,000 dynamic stretching, 20,000 twists, at 100,000 bending deformation, makakamit pa rin nito ang mataas na kapasidad na higit sa 88%—rate ng retention. Samakatuwid, ang mga nababaluktot na LIB na iminungkahi sa papel na ito ay nagbibigay ng napakalaking pag-asa para sa mga praktikal na aplikasyon sa mga naisusuot na electronics.

Mga highlight ng pananaliksik

1) Ang mga nababaluktot na LIB, na inspirasyon ng mga kasukasuan ng tao, ay maaaring mapanatili ang matatag na pagganap ng ikot sa ilalim ng baluktot, pag-twist, pag-uunat, at paikot-ikot na mga pagpapapangit;

(2) Sa pamamagitan ng isang square flexible na baterya, maaari itong makamit ang density ng enerhiya na hanggang 371.9 Wh/L, na 92.9% ng tradisyonal na soft-pack na baterya;

(3) Maaaring baguhin ng iba't ibang paraan ng paikot-ikot ang hugis ng stack ng baterya at bigyan ang baterya ng sapat na deformability.

Graphic na gabay

1. Disenyo ng bagong uri ng bionic flexible LIBs

Ipinakita ng pananaliksik na, bilang karagdagan sa pagtiyak ng mataas na dami ng density ng enerhiya at mas kumplikadong pagpapapangit, ang disenyo ng istruktura ay dapat ding maiwasan ang plastic deformation ng kasalukuyang kolektor. Ang finite element simulation ay nagpapakita na ang pinakamahusay na paraan ng kasalukuyang kolektor ay dapat na pigilan ang kasalukuyang kolektor na magkaroon ng maliit na radius ng baluktot sa panahon ng proseso ng baluktot upang maiwasan ang plastic deformation at hindi maibabalik na pinsala ng kasalukuyang kolektor.

Ipinapakita ng Figure 1a ang istraktura ng mga joint ng tao, kung saan ang mas malaking curved surface na disenyo ay tumutulong sa mga joints na umikot ng maayos. Batay dito, ang Figure 1b ay nagpapakita ng isang tipikal na graphite anode/diaphragm/lithium cobaltate (LCO) anode, na maaaring masugatan sa isang parisukat na makapal na istraktura ng stack. Sa junction, binubuo ito ng dalawang makapal na matibay na stack at isang flexible na bahagi. Higit sa lahat, ang makapal na stack ay may curved surface na katumbas ng joint bone cover, na tumutulong sa buffer pressure at nagbibigay ng pangunahing kapasidad ng flexible na baterya. Ang nababanat na bahagi ay kumikilos bilang isang ligament, na nagkokonekta sa makapal na mga stack at nagbibigay ng kakayahang umangkop (Figure 1c). Bilang karagdagan sa paikot-ikot sa isang square pile, ang mga baterya na may cylindrical o triangular na mga cell ay maaari ding gawin sa pamamagitan ng pagbabago ng paraan ng paikot-ikot (Larawan 1d). Para sa mga nababaluktot na LIB na may mga square energy storage unit, ang magkakaugnay na mga segment ay gugulong kasama ang hugis-arc na ibabaw ng makapal na stack sa panahon ng proseso ng baluktot (Figure 1e), at sa gayon ay makabuluhang tumataas ang density ng enerhiya ng flexible na baterya. Bilang karagdagan, sa pamamagitan ng nababanat na polymer encapsulation, ang mga nababaluktot na LIB na may mga cylindrical na yunit ay maaaring makamit ang nababanat at nababaluktot na mga katangian (Larawan 1f).

Figure 1 (a) Ang disenyo ng kakaibang koneksyon ng ligament at curved surface ay mahalaga upang makamit ang flexibility; (b) Schematic diagram ng flexible na istraktura ng baterya at proseso ng pagmamanupaktura; (c) ang buto ay tumutugma sa mas makapal na salansan ng elektrod, at ang ligament ay tumutugma sa nabuksan (D) Nababaluktot na istraktura ng baterya na may cylindrical at triangular na mga cell; (e) Stacking schematic diagram ng square cells; (f) Pag-uunat ng pagpapapangit ng mga cylindrical na selula.

2. Finite element simulation analysis

Ang karagdagang paggamit ng mechanical simulation analysis ay nakumpirma ang katatagan ng nababaluktot na istraktura ng baterya. Ipinapakita ng Figure 2a ang pamamahagi ng stress ng tanso at aluminum foil kapag nakabaluktot sa isang silindro (180° radian). Ang mga resulta ay nagpapakita na ang stress ng tanso at aluminum foil ay mas mababa kaysa sa kanilang lakas ng ani, na nagpapahiwatig na ang pagpapapangit na ito ay hindi magiging sanhi ng plastic deformation. Ang kasalukuyang kolektor ng metal ay maaaring maiwasan ang hindi maibabalik na pinsala.

Ipinapakita ng Figure 2b ang pamamahagi ng stress kapag ang antas ng baluktot ay higit na nadagdagan, at ang stress ng copper foil at aluminum foil ay mas mababa din kaysa sa kanilang katumbas na lakas ng ani. Samakatuwid, ang istraktura ay maaaring tumagal ng natitiklop na pagpapapangit habang pinapanatili ang mahusay na tibay. Bilang karagdagan sa baluktot na pagpapapangit, ang sistema ay maaaring makamit ang isang tiyak na antas ng pagbaluktot (Larawan 2c).

Para sa mga baterya na may cylindrical unit, dahil sa mga likas na katangian ng bilog, maaari itong makamit ang mas malala at kumplikadong pagpapapangit. Samakatuwid, kapag ang baterya ay nakatiklop sa 180o (Figure 2d, e), nakaunat sa humigit-kumulang 140% ng orihinal na haba (Figure 2f), at napilipit sa 90o (Figure 2g), maaari itong mapanatili ang mekanikal na katatagan. Bilang karagdagan, kapag ang baluktot + twisting at winding deformation ay inilapat nang hiwalay, ang dinisenyo na istraktura ng LIBs ay hindi magiging sanhi ng hindi maibabalik na plastic deformation ng kasalukuyang kolektor ng metal sa ilalim ng iba't ibang malala at kumplikadong mga deformation.

Figure 2 (ac) Mga resulta ng simulation na may hangganan ng elemento ng isang square cell sa ilalim ng baluktot, pagtitiklop, at pag-twist; (di) Mga resulta ng simulation na may hangganan ng elemento ng isang cylindrical na cell sa ilalim ng baluktot, pagtitiklop, pag-unat, pag-twist, baluktot + pag-ikot at paikot-ikot.

3. Electrochemical performance ng flexible LIBs ng square energy storage unit

Upang suriin ang electrochemical performance ng idinisenyong flexible na baterya, ginamit ang LiCoO2 bilang cathode material upang subukan ang discharge capacity at cycle stability. Tulad ng ipinapakita sa Figure 3a, ang kapasidad ng paglabas ng baterya na may mga square cell ay hindi makabuluhang nabawasan pagkatapos na ma-deform ang eroplano upang yumuko, mag-ring, matiklop, at mapilipit sa 1 C magnification, na nangangahulugan na ang mekanikal na pagpapapangit ay hindi magiging sanhi ng disenyo ng ang nababaluktot na baterya upang maging electrochemically Bumababa ang performance. Kahit na pagkatapos ng dynamic na baluktot (Figure 3c, d) at dynamic na pamamaluktot (Figure 3e, f), at pagkatapos ng isang tiyak na bilang ng mga cycle, ang charging at discharging platform at long-cycle na pagganap ay walang maliwanag na pagbabago, na nangangahulugan na ang panloob na istraktura ng ang baterya ay mahusay na protektado.

Figure 3 (a) Pagsusuri sa pag-charge at discharge ng square unit na baterya sa ilalim ng 1C; (b) Charge at discharge curve sa ilalim ng iba't ibang kondisyon; (c, d) Sa ilalim ng dinamikong baluktot, pagganap ng ikot ng baterya at kaukulang kurba ng pagkarga at paglabas; (e, f) Sa ilalim ng dynamic na pamamaluktot, ang cycle ng pagganap ng baterya at ang kaukulang charge-discharge curve sa ilalim ng magkakaibang mga cycle.

4. Electrochemical performance ng flexible LIBs ng cylindrical energy storage unit

Ang mga resulta ng pagsusuri ng simulation ay nagpapakita na salamat sa mga likas na katangian ng bilog, ang mga nababaluktot na LIB na may mga cylindrical na elemento ay maaaring makatiis ng mas matinding at kumplikadong mga deformation. Samakatuwid, upang ipakita ang pagganap ng electrochemical ng mga nababaluktot na LIB ng cylindrical unit, ang pagsubok ay isinagawa sa isang rate ng 1 C, na nagpakita na kapag ang baterya ay sumasailalim sa iba't ibang mga deformation, halos walang pagbabago sa pagganap ng electrochemical. Ang pagpapapangit ay hindi magiging sanhi ng pagbabago ng curve ng boltahe (Figure 4a, b).

Upang higit pang suriin ang katatagan ng electrochemical at mekanikal na tibay ng cylindrical na baterya, isinailalim nito ang baterya sa isang dynamic na automated load test sa bilis na 1 C. Ipinapakita ng pananaliksik na pagkatapos ng dynamic na pag-unat (Figure 4c, d), dynamic na pamamaluktot (Figure 4e, f) , at dynamic na bending + torsion (Figure 4g, h), hindi apektado ang battery charge-discharge cycle performance at ang kaukulang kurba ng boltahe. Ipinapakita ng Figure 4i ang pagganap ng isang baterya na may makulay na yunit ng imbakan ng enerhiya. Ang discharge capacity ay nabubulok mula 133.3 mAm g-1 hanggang 129.9 mAh g-1, at ang pagkawala ng kapasidad sa bawat cycle ay 0.04% lamang, na nagpapahiwatig na ang deformation ay hindi makakaapekto sa cycle stability at discharge capacity nito.

Figure 4 (a) Charge and discharge cycle test ng iba't ibang configuration ng cylindrical cells sa 1 C; (b) Mga kaukulang charge at discharge curves ng baterya sa ilalim ng iba't ibang kundisyon; (c, d) Cycle performance at charge ng baterya sa ilalim ng dynamic na tension Discharge curve; (e, f) ang cycle performance ng baterya sa ilalim ng dynamic torsion at ang kaukulang charge-discharge curve sa ilalim ng iba't ibang cycle; (g, h) ang cycle performance ng baterya sa ilalim ng dynamic na bending + torsion at ang kaukulang charge-discharge curve sa ilalim ng iba't ibang cycle ; (I) Pagsusuri sa pag-charge at pag-discharge ng mga prismatic unit na baterya na may iba't ibang configuration sa 1 C.

5. Application ng flexible at wearable electronic na mga produkto

Upang suriin ang aplikasyon ng binuong flexible na baterya sa pagsasanay, ang may-akda ay gumagamit ng mga buong baterya na may iba't ibang uri ng mga yunit ng pag-iimbak ng enerhiya upang paganahin ang ilang komersyal na elektronikong produkto, tulad ng mga earphone, smartwatches, mini electric fan, cosmetic instrument, at smart phone. Parehong sapat para sa pang-araw-araw na paggamit, ganap na naglalaman ng potensyal ng aplikasyon ng iba't ibang nababaluktot at naisusuot na mga produktong elektroniko.

Inilalapat ng Figure 5 ang dinisenyong baterya sa mga earphone, smartwatch, mini electric fan, cosmetic equipment, at smartphone. Ang nababaluktot na baterya ay nagbibigay ng kapangyarihan para sa (a) mga earphone, (b) mga smartwatch, at (c) mga mini electric fan; (d) nagbibigay ng kapangyarihan para sa kagamitang pang-kosmetiko; (e) sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon ng pagpapapangit, ang nababaluktot na baterya ay nagbibigay ng kapangyarihan para sa mga smartphone.

Buod at pananaw

Sa buod, ang artikulong ito ay inspirasyon ng istraktura ng mga kasukasuan ng tao. Nagmumungkahi ito ng kakaibang paraan ng disenyo para sa paggawa ng nababaluktot na baterya na may mataas na density ng enerhiya, maraming deformability, at tibay. Kung ikukumpara sa mga tradisyunal na flexible LIB, mabisang maiiwasan ng bagong disenyo na ito ang plastic deformation ng kasalukuyang kolektor ng metal. Kasabay nito, ang mga hubog na ibabaw na nakalaan sa magkabilang dulo ng yunit ng imbakan ng enerhiya na idinisenyo sa papel na ito ay maaaring epektibong mapawi ang lokal na stress ng mga magkakaugnay na bahagi. Bilang karagdagan, ang iba't ibang mga paraan ng paikot-ikot ay maaaring baguhin ang hugis ng stack, na nagbibigay sa baterya ng sapat na deformability. Ang nababaluktot na baterya ay nagpapakita ng mahusay na katatagan ng ikot at tibay ng makina salamat sa disenyo ng nobela at may malawak na mga prospect ng aplikasyon sa iba't ibang nababaluktot at naisusuot na mga produktong elektroniko.

Link ng panitikan

Human joint-inspired structural design para sa nababaluktot/natitiklop/nababanat/nakakaikot na baterya: nakakakuha ng maraming deformability. (Kapaligiran ng Enerhiya. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)

malapit_maputi
malapit

Sumulat ng pagtatanong dito

tumugon sa loob ng 6 na oras, anumang mga katanungan ay malugod!