Hong Kong CityU EES: Flexibilní lithium-iontová baterie inspirovaná lidskými klouby

Pozadí výzkumu

Rostoucí poptávka po elektronických produktech podpořila v posledních letech rychlý vývoj flexibilních a vysokoenergetických paměťových zařízení. Flexibilní lithium-iontové baterie (LIB) s vysokou hustotou energie a stabilním elektrochemickým výkonem jsou považovány za nejslibnější bateriovou technologii pro nositelné elektronické produkty. Ačkoli použití tenkovrstvých elektrod a elektrod na bázi polymeru dramaticky zlepšuje flexibilitu LIB, existují následující problémy:

(1) Většina flexibilních baterií je naskládána „negativní elektroda-separátor-pozitivní elektroda“ a jejich omezená deformovatelnost a prokluz mezi vícevrstvými svazky omezují celkový výkon LIB;

(2) Za některých závažnějších podmínek, jako je skládání, roztahování, navíjení a složitá deformace, nemůže zaručit výkon baterie;

(3) Část strategie návrhu ignoruje deformaci kolektoru proudu.

Současné dosažení malého úhlu ohybu, více režimů deformace, vynikající mechanická odolnost a vysoká hustota energie proto stále čelí mnoha výzvám.

Úvod

Profesor Chunyi Zhi a Dr. Cuiping Han z City University of Hong Kong nedávno publikovali článek nazvaný „Strukturální design inspirovaný lidským kloubem pro ohybatelné/skládací/roztažitelné/otočitelné baterie: dosažení vícenásobné deformovatelnosti“ na Energy Environ. Sci. Tato práce se inspirovala strukturou lidských kloubů a navrhla jakési flexibilní LIB podobné kloubnímu systému. Na základě tohoto nového designu může připravená flexibilní baterie dosáhnout vysoké hustoty energie a může být ohnuta nebo dokonce složena o 180°. Strukturální strukturu lze zároveň měnit různými metodami navíjení tak, aby flexibilní LIB měly bohaté deformační schopnosti, mohly být aplikovány na závažnější a složitější deformace (navíjení a kroucení), a mohly být dokonce natahovány a jejich deformační schopnosti byly daleko nad rámec předchozích zpráv o flexibilních LIB. Simulační analýza metodou konečných prvků potvrdila, že baterie navržená v tomto článku nepodléhá nevratné plastické deformaci současného kovového kolektoru při různých drsných a složitých deformacích. Současně může sestavená čtvercová baterie dosáhnout hustoty energie až 371.9 Wh/L, což je 92.9 % tradiční baterie typu soft pack. Navíc dokáže udržet stabilní výkon cyklu i po více než 200,000 25,000násobném dynamickém ohybu a XNUMX XNUMXnásobném dynamickém zkreslení.

Další výzkum ukazuje, že sestavená válcová jednotková buňka může odolat závažnějším a složitějším deformacím. Po více než 100,000 20,000 dynamických nataženích, 100,000 88 zákrutech a XNUMX XNUMX ohybových deformacích může stále dosáhnout vysoké kapacity více než XNUMX % – míra retence. Flexibilní LIB navrhované v tomto dokumentu proto poskytují masivní vyhlídky na praktické aplikace v nositelné elektronice.

Zdůrazňuje výzkum

1) Flexibilní LIB, inspirované lidskými klouby, mohou udržovat stabilní výkon cyklu při deformacích ohybem, kroucením, natahováním a navíjením;

(2) Se čtvercovou flexibilní baterií může dosáhnout hustoty energie až 371.9 Wh/L, což je 92.9 % tradiční baterie typu soft-pack;

(3) Různé metody vinutí mohou změnit tvar sady baterií a poskytnout baterii dostatečnou deformovatelnost.

Grafický průvodce

Výzkum ukázal, že kromě zajištění vysoké objemové hustoty energie a složitější deformace musí konstrukční návrh zabránit také plastické deformaci sběrače proudu. Simulace metodou konečných prvků ukazuje, že nejlepší metodou sběrače proudu by mělo být zabránit tomu, aby sběrač proudu měl během procesu ohýbání malý poloměr ohybu, aby se zabránilo plastické deformaci a nevratnému poškození sběrače proudu.

Obrázek 1a ukazuje strukturu lidských kloubů, ve kterých chytře větší zakřivený povrch pomáhá kloubům hladce se otáčet. Na základě toho ukazuje obrázek 1b typickou grafitovou anodu/membránu/lithium-kobaltátovou (LCO) anodu, kterou lze svinout do čtvercové tlusté struktury. Na křižovatce se skládá ze dvou silných tuhých stohů a pružné části. Ještě důležitější je, že tlustá sada má zakřivený povrch ekvivalentní krytu kloubní kosti, což pomáhá vyrovnávat tlak a poskytuje primární kapacitu flexibilní baterie. Elastická část funguje jako vaz, spojuje silné stohy a poskytuje flexibilitu (obrázek 1c). Kromě navíjení do čtvercové hromady lze baterie s válcovými nebo trojúhelníkovými články vyrábět také změnou způsobu navíjení (obrázek 1d). U flexibilních LIB se čtvercovými jednotkami pro uchovávání energie se budou propojené segmenty během procesu ohýbání rolovat podél obloukovitého povrchu tlusté sady (obrázek 1e), čímž se výrazně zvýší hustota energie flexibilní baterie. Kromě toho mohou flexibilní LIB s válcovými jednotkami prostřednictvím zapouzdření elastickým polymerem dosáhnout roztažitelných a flexibilních vlastností (obrázek 1f).

Obrázek 1 (a) Konstrukce jedinečného spojení vazů a zakřiveného povrchu je nezbytná pro dosažení flexibility; (b) Schematický diagram struktury flexibilní baterie a výrobního procesu; (c) kost odpovídá silnějšímu svazku elektrod a vaz odpovídá rozvinutému (D) Flexibilní struktura baterie s válcovými a trojúhelníkovými články; (e) Skládání schematického diagramu čtvercových buněk; (f) Protahovací deformace válcových buněk.

Další použití analýzy mechanické simulace potvrdilo stabilitu flexibilní struktury baterie. Obrázek 2a ukazuje rozložení napětí měděné a hliníkové fólie při ohýbání do válce (180° radián). Výsledky ukazují, že napětí měděné a hliníkové fólie je mnohem nižší než jejich mez kluzu, což naznačuje, že tato deformace nezpůsobí plastickou deformaci. Současný kovový kolektor může zabránit nevratnému poškození.

Obrázek 2b ukazuje rozložení napětí, když se stupeň ohybu dále zvyšuje, a napětí měděné fólie a hliníkové fólie je také menší než jejich odpovídající mez kluzu. Konstrukce proto vydrží deformaci skládáním při zachování dobré životnosti. Kromě deformace ohybem může systém dosáhnout určitého stupně zkreslení (obrázek 2c).

U baterií s válcovými jednotkami může díky inherentním charakteristikám kruhu dosáhnout závažnější a složitější deformace. Když je tedy baterie složená na 180o (obrázek 2d, e), natažena na přibližně 140 % původní délky (obrázek 2f) a zkroucená na 90o (obrázek 2g), může si zachovat mechanickou stabilitu. Navíc při samostatné aplikaci ohybu + kroucení a deformace vinutím nezpůsobí navržená struktura LIBs nevratnou plastickou deformaci současného kovového kolektoru při různých těžkých a složitých deformacích.

Obrázek 2 (ac) Výsledky simulace konečných prvků čtvercové buňky při ohýbání, skládání a kroucení; (di) Výsledky simulace konečných prvků válcové buňky při ohýbání, skládání, natahování, kroucení, ohýbání + kroucení a vinutí.

K vyhodnocení elektrochemického výkonu navržené flexibilní baterie byl jako katodový materiál použit LiCoO2 pro testování vybíjecí kapacity a stability cyklu. Jak je znázorněno na obrázku 3a, vybíjecí kapacita baterie se čtvercovými články není výrazně snížena poté, co je rovina deformována do ohybu, prstence, přeložení a zkroucení při zvětšení 1 C, což znamená, že mechanická deformace nezpůsobí konstrukci ohebná baterie má být elektrochemicky Výkon klesá. Dokonce ani po dynamickém ohybu (obrázek 3c, d) a dynamickém torzi (obrázek 3e, f) a po určitém počtu cyklů nedochází k žádným zjevným změnám nabíjecí a vybíjecí plošiny a výkonu s dlouhým cyklem, což znamená, že vnitřní struktura baterie je dobře chráněna.

Obrázek 3 (a) Zkouška nabíjení a vybíjení čtvercové baterie pod 1C; (b) křivka nabíjení a vybíjení za různých podmínek; (c, d) Výkon cyklu baterie a odpovídající křivka nabíjení a vybíjení při dynamickém ohybu; (e, f) Při dynamické torzi výkon cyklu baterie a odpovídající křivka nabíjení-vybíjení v různých cyklech.

Výsledky simulační analýzy ukazují, že díky inherentním charakteristikám kruhu mohou flexibilní LIB s válcovými prvky odolat extrémnějším a složitějším deformacím. Proto, aby se prokázala elektrochemická výkonnost flexibilních LIB válcové jednotky, byla zkouška provedena při rychlosti 1 C, která ukázala, že když baterie prochází různými deformacemi, nedochází téměř k žádné změně elektrochemického výkonu. Deformace nezpůsobí změnu křivky napětí (obrázek 4a, b).

Pro další vyhodnocení elektrochemické stability a mechanické odolnosti válcové baterie byla baterie podrobena dynamickému automatizovanému zátěžovému testu při rychlosti 1 C. Výzkum ukazuje, že po dynamickém natažení (obrázek 4c, d) došlo k dynamickému zkrutu (obrázek 4e, f) a dynamický ohyb + kroucení (obrázek 4g, h), výkon cyklu nabíjení-vybíjení baterie a odpovídající křivka napětí nejsou ovlivněny. Obrázek 4i ukazuje výkon baterie s barevným zásobníkem energie. Vybíjecí kapacita se snižuje z 133.3 mAm g-1 na 129.9 mAh g-1 a ztráta kapacity na cyklus je pouze 0.04 %, což naznačuje, že deformace neovlivní stabilitu cyklu a kapacitu vybíjení.

Obrázek 4 (a) Test cyklu nabíjení a vybíjení různých konfigurací válcových článků při 1 C; (b) Odpovídající křivky nabíjení a vybíjení baterie za různých podmínek; (c, d) Výkon cyklu a nabíjení baterie při dynamickém tahu Vybíjecí křivka; e, f) cyklický výkon baterie při dynamické torzi a odpovídající křivka nabíjení-vybíjení v různých cyklech; (g, h) výkonnostní cyklus baterie při dynamickém ohybu + kroucení a odpovídající křivka nabíjení-vybíjení při různých cyklech; (I) Test nabíjení a vybíjení prizmatických jednotkových baterií s různými konfiguracemi při 1 C.

K vyhodnocení aplikace vyvinuté flexibilní baterie v praxi autor využívá plné baterie s různými typy energetických zásobníků pro napájení některých komerčních elektronických produktů, jako jsou sluchátka, chytré hodinky, mini elektrické ventilátory, kosmetické nástroje a chytré telefony. Oba jsou dostačující pro každodenní použití, plně ztělesňují aplikační potenciál různých flexibilních a nositelných elektronických produktů.

Obrázek 5 aplikuje navrženou baterii na sluchátka, chytré hodinky, mini elektrické ventilátory, kosmetické vybavení a chytré telefony. Flexibilní baterie dodává energii pro (a) sluchátka, (b) chytré hodinky a (c) mini elektrické ventilátory; d) dodává energii pro kosmetická zařízení; (e) za různých podmínek deformace dodává flexibilní baterie energii pro chytré telefony.

Shrnutí a výhled

Stručně řečeno, tento článek je inspirován strukturou lidských kloubů. Navrhuje unikátní konstrukční metodu pro výrobu flexibilní baterie s vysokou hustotou energie, mnohonásobnou deformovatelností a odolností. Ve srovnání s tradičními flexibilními LIB může tento nový design účinně zabránit plastické deformaci současného kovového kolektoru. Zároveň zakřivené povrchy vyhrazené na obou koncích energetické akumulační jednotky navržené v tomto příspěvku mohou účinně ulevit od lokálního namáhání propojených komponent. Kromě toho mohou různé způsoby navíjení změnit tvar stohu, což dává baterii dostatečnou deformovatelnost. Flexibilní baterie vykazuje vynikající stabilitu cyklu a mechanickou odolnost díky nové konstrukci a má rozsáhlé vyhlídky na použití v různých flexibilních a nositelných elektronických produktech.

Odkaz na literaturu

Strukturální design inspirovaný lidskými klouby pro ohýbatelnou/skládací/roztažnou/otočnou baterii: dosažení vícenásobné deformovatelnosti. (Energetické prostředí. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)