Hong Kong CityU EES: Baterei lithium-ion fleksibel sing diilhami dening sendi manungsa

Latar Penelitian

Panjaluk sing saya tambah kanggo produk elektronik wis ningkatake pangembangan piranti panyimpenan sing fleksibel lan kapadhetan energi dhuwur ing taun-taun pungkasan. Baterei lithium ion fleksibel (LIBs) kanthi kapadhetan energi dhuwur lan kinerja elektrokimia sing stabil dianggep minangka teknologi baterei sing paling njanjeni kanggo produk elektronik sing bisa dipakai. Sanajan panggunaan elektroda film tipis lan elektroda berbasis polimer nambah keluwesan LIB kanthi dramatis, ana masalah ing ngisor iki:

(1) Baterei paling fleksibel ditumpuk dening "elektroda negatif-pemisah-positif," lan deformability winates lan slippage antarane tumpukan multilayer mbatesi kinerja sakabèhé LIBs;

(2) Ing sawetara kahanan sing luwih abot, kayata lempitan, mulet, nduwurke tumpukan, lan deformasi kompleks, ora bisa njamin kinerja baterei;

(3) Bagéyan saka strategi desain nglirwakake deformasi saka kolektor logam saiki.

Mulane, bebarengan entuk amba mlengkung tipis, sawetara mode deformasi, kekiatan mechanical unggul, lan Kapadhetan energi dhuwur isih ngadhepi akeh tantangan.

Pambuka

Bubar, Profesor Chunyi Zhi lan Dr. Cuiping Han saka Universitas Kutha Hong Kong nerbitake makalah kanthi irah-irahan "Desain struktural sing diilhami dening manungsa kanggo baterei sing bisa ditekuk / dilipat / digulung / digulung: entuk macem-macem cacat" ing Energy Environ. Sci. Karya iki diilhami dening struktur sendi manungsa lan ngrancang jinis LIB fleksibel sing padha karo sistem sendi. Adhedhasar desain novel iki, baterei sing disiapake lan fleksibel bisa entuk kapadhetan energi sing dhuwur lan bisa ditekuk utawa dilipat ing 180 °. Ing wektu sing padha, struktur struktural bisa diganti liwat macem-macem cara nduwurke tumpukan supaya LIBs fleksibel duwe kapabilitas deformasi sugih, bisa Applied kanggo deformasi luwih abot lan Komplek (gulungan lan twisting), lan malah bisa digawe dowo, lan kapabilitas deformasi sing. adoh ngluwihi laporan sadurunge LIBs fleksibel. Analisis simulasi unsur Finite dikonfirmasi manawa baterei sing dirancang ing kertas iki ora bakal ngalami deformasi plastik sing ora bisa dibaleni saka kolektor logam saiki ing macem-macem deformasi sing angel lan rumit. Ing wektu sing padha, baterei unit kothak sing dirakit bisa entuk kapadhetan energi nganti 371.9 Wh / L, yaiku 92.9% saka baterei paket alus tradisional. Kajaba iku, bisa njaga kinerja siklus sing stabil sanajan luwih saka 200,000 kali lentur dinamis lan 25,000 kali distorsi dinamis.

Panaliten luwih lanjut nuduhake yen sel unit silinder sing dipasang bisa tahan deformasi sing luwih abot lan kompleks. Sawise luwih saka 100,000 regangan dinamis, 20,000 twists, lan 100,000 deformasi mlengkung, isih bisa entuk kapasitas luwih saka 88% - tingkat retensi. Mulane, LIB fleksibel sing diusulake ing makalah iki menehi prospek gedhe kanggo aplikasi praktis ing elektronik sing bisa dipakai.

Riset highlights

1) LIBs fleksibel, inspirasi dening joints manungsa, bisa njaga kinerja siklus stabil ing mlengkung, twisting, mulet, lan nduwurke tumpukan deformasi;

(2) Kanthi baterei fleksibel persegi, bisa entuk kapadhetan energi nganti 371.9 Wh / L, yaiku 92.9% saka baterei paket alus tradisional;

(3) Cara nduwurke tumpukan beda bisa ngganti wangun tumpukan baterei lan menehi deformability cukup baterei.

Panuntun grafis

Riset nuduhake manawa, saliyane kanggo njamin Kapadhetan energi volume dhuwur lan deformasi sing luwih kompleks, desain struktural uga kudu ngindhari deformasi plastik saka kolektor saiki. Simulasi unsur winates nuduhake yen cara paling apik saka Penagih saiki kudu kanggo nyegah Penagih saiki duwe radius mlengkung cilik sak proses mlengkung supaya deformasi plastik lan karusakan ora bisa dibalèkaké saka Penagih saiki.

Figure 1a nuduhake struktur joints manungsa, kang desain lumahing sudhut mlengkung cleverly gedhe mbantu joints kanggo muter lancar. Adhedhasar iki, Figure 1b nuduhake anoda grafit khas / diafragma / lithium kobaltate (LCO), kang bisa tatu menyang struktur tumpukan nglukis kothak. Ing prapatan, kasusun saka rong tumpukan kaku sing kandel lan bagean sing fleksibel. Luwih penting, tumpukan kandel nduweni permukaan sing mlengkung sing padha karo tutup balung sendi, sing mbantu tekanan buffer lan nyedhiyakake kapasitas utama baterei fleksibel. Bagian elastis tumindak minangka ligamen, nyambungake tumpukan kandel lan nyedhiyakake keluwesan (Gambar 1c). Saliyane nduwurke tumpukan menyang tumpukan kothak, baterei karo sel silinder utawa segitiga uga bisa diprodhuksi dening ngganti cara nduwurke tumpukan (Gambar 1d). Kanggo LIBs fleksibel karo Unit panyimpenan energi kothak, perangan interconnected bakal muter sadawane lumahing busur-shaped tumpukan nglukis sak proses mlengkung (Gambar 1e), mangkono nambah Kapadhetan energi saka baterei fleksibel. Kajaba iku, liwat enkapsulasi polimer elastis, LIB fleksibel kanthi unit silinder bisa entuk sifat sing bisa ditarik lan fleksibel (Gambar 1f).

Gambar 1 (a) Desain sambungan ligamen sing unik lan permukaan sing mlengkung penting kanggo entuk keluwesan; (b) Diagram skematis struktur baterei fleksibel lan proses manufaktur; (c) balung cocog karo tumpukan elektroda sing luwih kenthel, lan ligamen cocog karo unrolled (D) Struktur baterei fleksibel kanthi sel silinder lan segitiga; (e) Numpuk diagram skematis saka sel kothak; (f) Stretching deformasi sel silinder.

Luwih nggunakake analisis simulasi mekanik dikonfirmasi stabilitas struktur baterei fleksibel. Gambar 2a nuduhake distribusi stres tembaga lan aluminium foil nalika ditekuk menyang silinder (180° radian). Asil nuduhake manawa kaku tembaga lan aluminium foil luwih murah tinimbang kekuatan ngasilake, nuduhake yen deformasi iki ora bakal nyebabake deformasi plastik. Penagih logam saiki bisa nyegah karusakan sing ora bisa dibatalake.

Figure 2b nuduhake distribusi kaku nalika jurusan mlengkung luwih tambah, lan kaku foil tembaga lan aluminium foil uga kurang saka kekuatan ngasilaken sing cocog. Mulane, struktur bisa tahan deformasi lempitan nalika njaga kekiatan apik. Saliyane deformasi mlengkung, sistem bisa entuk tingkat distorsi tartamtu (Gambar 2c).

Kanggo baterei kanthi unit silinder, amarga karakteristik bunder, bisa entuk deformasi sing luwih abot lan kompleks. Mulane, nalika baterei wis lempitan kanggo 180o (Figure 2d, e), digawe dowo kanggo bab 140% saka dawa asli (Figure 2f), lan bengkong kanggo 90o (Figure 2g), bisa njaga stabilitas mechanical. Kajaba iku, nalika mlengkung + twisting lan nduwurke tumpukan ewah-ewahan bentuk Applied kapisah, struktur LIBs dirancang ora bakal nimbulaké deformasi plastik irreversible saka kolektor logam saiki ing macem-macem deformasi abot lan Komplek.

Gambar 2 (ac) asil simulasi unsur winates saka sel kothak ing mlengkung, lempitan, lan twisting; (di) asil simulasi unsur winates saka sel silinder ing mlengkung, lempitan, stretching, twisting, mlengkung + twisting lan nduwurke tumpukan.

Kanggo ngevaluasi kinerja elektrokimia saka baterei fleksibel sing dirancang, LiCoO2 digunakake minangka bahan katoda kanggo nguji kapasitas discharge lan stabilitas siklus. Minangka ditampilake ing Figure 3a, kapasitas discharge saka baterei karo sel kothak ora Ngartekno suda sawise bidang deformed kanggo bend, ring, lempitan, lan bengkong ing 1 C magnification, kang tegese deformasi mechanical ora bakal nimbulaké desain saka baterei fleksibel dadi electrochemically Performance irungnya. Malah sawise mlengkung dinamis (Figure 3c, d) lan torsi dinamis (Figure 3e, f), lan sawise sawetara siklus tartamtu, platform pangisi daya lan discharging lan kinerja siklus dawa ora ana owah-owahan sing katon, tegese struktur internal baterei uga dilindhungi.

Gambar 3 (a) Tes pangisian daya lan mbuwang baterei unit persegi ing 1C; (b) Kurva daya lan discharge ing kahanan sing beda; (c, d) Ing mlengkung dinamis, kinerja siklus baterei lan kurva pangisian daya lan discharge sing cocog; (e, f) Ing torsi dinamis, kinerja siklus baterei lan kurva pangisian daya-discharge sing cocog ing siklus sing beda-beda.

Asil analisis simulasi nuduhake yen thanks kanggo karakteristik gawan saka bunder, LIBs fleksibel karo unsur silinder bisa tahan deformasi luwih nemen lan Komplek. Mulane, kanggo nduduhake kinerja elektrokimia saka LIB fleksibel saka unit silinder, tes kasebut ditindakake kanthi tingkat 1 C, sing nuduhake yen baterei ngalami macem-macem deformasi, meh ora ana owah-owahan ing kinerja elektrokimia. Ewah-ewahan bentuk ora bakal nimbulaké kurva voltase kanggo ngganti (Figure 4a, b).

Kanggo luwih ngevaluasi stabilitas elektrokimia baterei silinder lan kekiatan mechanical, iku subjected baterei kanggo test mbukak otomatis dinamis ing tingkat saka 1 C. Riset nuduhake yen sawise mulet dinamis (Figure 4c, d), torsion dinamis (Figure 4e, f) , lan mlengkung dinamis + torsi (Gambar 4g, h), kinerja siklus ngisi-discharge baterei lan kurva voltase sing cocog ora kena pengaruh. Gambar 4i nuduhake kinerja baterei kanthi unit panyimpenan energi warna-warni. Kapasitas discharge decays saka 133.3 mAm g-1 kanggo 129.9 mAh g-1, lan mundhut kapasitas saben siklus mung 0.04%, nuduhake yen ewah-ewahan bentuk ora mengaruhi stabilitas siklus lan kapasitas discharge.

Gambar 4 (a) Tes siklus pangisi daya lan discharge saka konfigurasi sel silinder sing beda ing 1 C; (b) Kurva pangisian daya lan discharge sing cocog saka baterei ing kahanan sing beda-beda; (c, d) Kinerja siklus lan pangisian daya baterei ing kurva Discharge tegangan dinamis; (e, f) kinerja siklus baterei ing torsi dinamis lan kurva daya-discharge sing cocog ing siklus beda; (g, h) kinerja siklus baterei ing mlengkung dinamis + torsi lan kurva daya-discharge sing cocog ing siklus beda; (I) Tes ngisi daya lan ngeculake baterei unit prismatik kanthi konfigurasi beda ing 1 C.

Kanggo ngevaluasi aplikasi baterei fleksibel sing dikembangake ing praktik, penulis nggunakake baterei lengkap kanthi macem-macem jinis unit panyimpenan energi kanggo nguwasani sawetara produk elektronik komersial, kayata kuping, jam tangan pinter, penggemar listrik mini, instrumen kosmetik, lan telpon pinter. Loro-lorone cukup kanggo panggunaan saben dina, kanthi lengkap ngemot potensial aplikasi macem-macem produk elektronik sing fleksibel lan bisa dipakai.

Gambar 5 ngetrapake baterei sing dirancang kanggo kuping, jam tangan pinter, penggemar listrik mini, peralatan kosmetik, lan smartphone. Baterei fleksibel nyedhiyakake daya kanggo (a) kuping, (b) jam tangan pinter, lan (c) kipas angin listrik mini; (d) nyuplai daya kanggo peralatan kosmetik; (e) ing kahanan deformasi sing beda, baterei fleksibel nyedhiyakake daya kanggo smartphone.

Ringkesan lan wawasan

Ing ringkesan, artikel iki diilhami dening struktur sendi manungsa. Iki ngusulake cara desain unik kanggo nggawe baterei sing fleksibel kanthi kapadhetan energi sing dhuwur, macem-macem deformasi, lan daya tahan. Dibandhingake karo LIBs fleksibel tradisional, desain anyar iki bisa èfèktif ngindhari deformasi plastik saka kolektor logam saiki. Ing wektu sing padha, lumahing sudhut mlengkung dilindhungi undhang-undhang ing loro ends saka unit panyimpenan energi dirancang ing kertas iki bisa èfèktif ngredhakaké kaku lokal saka komponen interconnected. Kajaba iku, macem-macem cara nduwurke tumpukan bisa ngganti wangun tumpukan, menehi baterei cukup deformability. Baterei fleksibel nuduhake stabilitas siklus lan daya tahan mekanik sing apik amarga desain novel lan duwe prospek aplikasi sing akeh ing macem-macem produk elektronik sing fleksibel lan bisa dipakai.

Link sastra

Desain struktural sing diilhami dening manungsa kanggo baterei sing bisa ditekuk / dilipat / digulung / digulung: entuk macem-macem cacat. (Lingkungan Energi. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)