Hong Kong CityU EES: Гъвкава литиево-йонна батерия, вдъхновена от човешките стави

Предистория на изследването

Нарастващото търсене на електронни продукти насърчи бързото развитие на гъвкави устройства за съхранение с висока енергийна плътност през последните години. Гъвкави литиево-йонни батерии (LIB) с висока енергийна плътност и стабилни електрохимични характеристики се считат за най-обещаващата технология за батерии за носими електронни продукти. Въпреки че използването на тънкослойни електроди и електроди на полимерна основа драстично подобрява гъвкавостта на LIB, съществуват следните проблеми:

(1) Повечето гъвкави батерии са подредени от "отрицателен електрод-разделител-положителен електрод" и тяхната ограничена деформируемост и приплъзване между многослойни стекове ограничават цялостната производителност на LIB;

(2) При някои по-тежки условия, като сгъване, разтягане, навиване и сложна деформация, не може да гарантира производителност на батерията;

(3) Част от стратегията за проектиране игнорира деформацията на текущия метален колектор.

Следователно, едновременното постигане на лек ъгъл на огъване, множество режими на деформация, превъзходна механична издръжливост и висока енергийна плътност все още е изправена пред много предизвикателства.

Въведение

Наскоро професор Chunyi Zhi и д-р Cuiping Han от градския университет на Хонг Конг публикуваха документ, озаглавен „Вдъхновен от човешки съвместни структурен дизайн за огъваема/сгъваема/разтеглива/усукваща батерия: постигане на многократна деформируемост” на Energy Environ. Sci. Тази работа е вдъхновена от структурата на човешките стави и проектира един вид гъвкави LIB, подобни на ставната система. Въз основа на този нов дизайн, подготвената, гъвкава батерия може да постигне висока енергийна плътност и да бъде огъната или дори сгъната на 180°. В същото време структурната структура може да се променя чрез различни методи на навиване, така че гъвкавите LIB да имат богати възможности за деформация, да могат да се прилагат при по-сериозни и сложни деформации (навиване и усукване) и дори могат да бъдат разтягани, а техните възможности за деформация са далеч отвъд предишните доклади за гъвкави LIB. Анализът на симулация на крайни елементи потвърди, че батерията, проектирана в тази статия, няма да претърпи необратима пластична деформация на текущия метален колектор при различни тежки и сложни деформации. В същото време сглобената квадратна батерия може да постигне енергийна плътност до 371.9 Wh/L, което е 92.9% от традиционната мека батерия. В допълнение, той може да поддържа стабилна производителност на цикъла дори след повече от 200,000 25,000 пъти динамично огъване и XNUMX XNUMX пъти динамично изкривяване.

По-нататъшни изследвания показват, че сглобената цилиндрична единична клетка може да издържи на по-тежки и сложни деформации. След повече от 100,000 20,000 динамични разтягания, 100,000 88 усуквания и XNUMX XNUMX деформации на огъване, той все още може да постигне висок капацитет от повече от XNUMX% – степен на задържане. Следователно гъвкавите LIB, предложени в тази статия, предоставят огромна перспектива за практически приложения в носимата електроника.

Акценти на научните изследвания

1) Гъвкавите LIB, вдъхновени от човешките стави, могат да поддържат стабилно представяне на цикъла при деформации на огъване, усукване, разтягане и навиване;

(2) С квадратна гъвкава батерия тя може да постигне енергийна плътност до 371.9 Wh/L, което е 92.9% от традиционната мека батерия;

(3) Различните методи на навиване могат да променят формата на батерията и да придадат на батерията достатъчна деформируемост.

Графично ръководство

Изследванията показват, че в допълнение към осигуряването на висока обемна енергийна плътност и по-сложна деформация, конструктивният дизайн трябва също да избягва пластичната деформация на тококолектора. Симулацията с крайни елементи показва, че най-добрият метод на токовия колектор трябва да бъде да се предотврати токовият колектор от малък радиус на огъване по време на процеса на огъване, за да се избегне пластичната деформация и необратимите повреди на токовия колектор.

Фигура 1а показва структурата на човешките стави, при която умело по-голямата извита повърхност помага на ставите да се въртят плавно. Въз основа на това, Фигура 1b показва типичен графитен анод/диафрагма/литиево-кобалтатен (LCO) анод, който може да бъде навит в квадратна дебела стекова структура. На кръстовището се състои от две дебели твърди купчини и гъвкава част. По-важното е, че дебелият стек има извита повърхност, еквивалентна на покритието на ставната кост, което подпомага буферното налягане и осигурява основния капацитет на гъвкавата батерия. Еластичната част действа като лигамент, свързвайки дебели стекове и осигурявайки гъвкавост (Фигура 1в). В допълнение към навиването в квадратна купчина, батериите с цилиндрични или триъгълни клетки могат да бъдат произведени и чрез промяна на метода на навиване (Фигура 1d). За гъвкави LIB с квадратни единици за съхранение на енергия, взаимосвързаните сегменти ще се търкалят по дъгообразната повърхност на дебелия стек по време на процеса на огъване (Фигура 1e), като по този начин значително увеличават енергийната плътност на гъвкавата батерия. В допълнение, чрез еластично полимерно капсулиране, гъвкавите LIB с цилиндрични единици могат да постигнат разтегливи и гъвкави свойства (Фигура 1f).

Фигура 1 (а) Дизайнът на уникална връзка на лигаментите и извита повърхност е от съществено значение за постигане на гъвкавост; (b) Схематична диаграма на структурата на гъвкавата батерия и производствения процес; (в) костта съответства на по-дебел купчина електроди, а лигаментът съответства на разгъната (D) Гъвкава структура на батерията с цилиндрични и триъгълни клетки; (д) Схематична диаграма на подреждане на квадратни клетки; (f) Деформация на разтягане на цилиндрични клетки.

По-нататъшното използване на анализ на механична симулация потвърди стабилността на гъвкавата структура на батерията. Фигура 2а показва разпределението на напрежението на медно и алуминиево фолио, когато е огънато в цилиндър (180° радиан). Резултатите показват, че напрежението на медно и алуминиево фолио е много по-ниско от тяхната граница на провлачване, което показва, че тази деформация няма да причини пластична деформация. Настоящият метален колектор може да избегне необратими повреди.

Фигура 2b показва разпределението на напрежението, когато степента на огъване се увеличава допълнително, а напрежението на медно фолио и алуминиево фолио също е по-малко от съответната им граница на провлачване. Следователно конструкцията може да издържи на деформация на сгъване, като същевременно поддържа добра издръжливост. В допълнение към деформацията на огъване, системата може да постигне известна степен на изкривяване (Фигура 2в).

За батерии с цилиндрични възли, поради присъщите характеристики на кръга, може да се постигне по-тежка и сложна деформация. Следователно, когато батерията е сгъната на 180o (Фигура 2d, e), опъната до около 140% от първоначалната дължина (Фигура 2f) и усукана до 90o (Фигура 2g), тя може да поддържа механична стабилност. Освен това, когато деформацията на огъване + усукване и навиване се прилагат поотделно, проектираната структура на LIBs няма да причини необратима пластична деформация на текущия метален колектор при различни тежки и сложни деформации.

Фигура 2 (ac) Резултати от симулация на крайни елементи на квадратна клетка при огъване, сгъване и усукване; (di) Резултати от симулация на крайни елементи на цилиндрична клетка при огъване, сгъване, разтягане, усукване, огъване + усукване и навиване.

За да се оцени електрохимичните характеристики на проектираната гъвкава батерия, LiCoO2 беше използван като катоден материал за тестване на капацитета на разреждане и стабилността на цикъла. Както е показано на фигура 3а, капацитетът на разреждане на батерията с квадратни клетки не се намалява значително, след като равнината се деформира до огъване, пръстен, сгъване и усукване при 1 C увеличение, което означава, че механичната деформация няма да причини дизайна на гъвкавата батерия да бъде електрохимично Производителността пада. Дори след динамично огъване (Фигура 3c, d) и динамично усукване (Фигура 3e, f) и след определен брой цикли, платформата за зареждане и разреждане и производителността при дълъг цикъл нямат видими промени, което означава, че вътрешната структура на батерията е добре защитена.

Фигура 3 (а) Тест за зареждане и разреждане на батерия с квадратна единица при 1C; (б) крива на заряд и разряд при различни условия; в, г) при динамично огъване, производителност на цикъла на батерията и съответната крива на зареждане и разреждане; (e, f) При динамично усукване, цикличната производителност на батерията и съответната крива заряд-разряд при различни цикли.

Резултатите от симулационния анализ показват, че благодарение на присъщите характеристики на кръга, гъвкавите LIB с цилиндрични елементи могат да издържат на по-екстремни и сложни деформации. Следователно, за да се демонстрират електрохимичните характеристики на гъвкавите LIB на цилиндричния блок, тестът беше проведен при скорост от 1 C, което показа, че когато батерията претърпи различни деформации, няма почти никаква промяна в електрохимичните характеристики. Деформацията няма да доведе до промяна на кривата на напрежението (Фигура 4a, b).

За по-нататъшна оценка на електрохимичната стабилност и механичната издръжливост на цилиндричната батерия, тя подложи батерията на динамичен автоматизиран тест за натоварване при скорост от 1 C. Изследванията показват, че след динамично разтягане (Фигура 4c, d), динамичното усукване (Фигура 4e, f) , и динамично огъване + усукване (Фигура 4g, h), ефективността на цикъла на зареждане-разреждане на батерията и съответната крива на напрежението не се засягат. Фигура 4i показва производителността на батерия с цветно устройство за съхранение на енергия. Капацитетът на разреждане намалява от 133.3 mAm g-1 до 129.9 mAh g-1, а загубата на капацитет на цикъл е само 0.04%, което показва, че деформацията няма да повлияе на стабилността на цикъла и капацитета на разреждане.

Фигура 4 (а) Тест за цикъл на зареждане и разреждане на различни конфигурации на цилиндрични клетки при 1 С; (b) Съответни криви на заряд и разреждане на батерията при различни условия; (c, d) Цикълна производителност и заряд на батерията при динамично напрежение Крива на разреждане; д, е) характеристиките на цикъла на батерията при динамично усукване и съответната крива заряд-разряд при различни цикли; (g, h) цикълната производителност на батерията при динамично огъване + усукване и съответната крива заряд-разряд при различни цикли; (I) Тест за зареждане и разреждане на призматични батерии с различни конфигурации при 1 C.

За да оцени приложението на разработената гъвкава батерия на практика, авторът използва пълни батерии с различни видове блокове за съхранение на енергия за захранване на някои търговски електронни продукти, като слушалки, смарт часовници, мини електрически вентилатори, козметични инструменти и смартфони. И двете са достатъчни за ежедневна употреба, въплъщават напълно потенциала за приложение на различни гъвкави и носими електронни продукти.

Фигура 5 прилага проектираната батерия към слушалки, смарт часовници, мини електрически вентилатори, козметично оборудване и смартфони. Гъвкавата батерия осигурява захранване за (а) слушалки, (б) смарт часовници и (в) мини електрически вентилатори; г) доставя енергия за козметично оборудване; (д) при различни условия на деформация гъвкавата батерия захранва смартфоните.

Обобщение и перспективи

В обобщение, тази статия е вдъхновена от структурата на човешките стави. Той предлага уникален метод за проектиране за производство на гъвкава батерия с висока енергийна плътност, многократна деформируемост и издръжливост. В сравнение с традиционните гъвкави LIB, този нов дизайн може ефективно да избегне пластичната деформация на текущия метален колектор. В същото време извитите повърхности, запазени в двата края на устройството за съхранение на енергия, проектирано в тази статия, могат ефективно да облекчат локалното напрежение на взаимосвързаните компоненти. В допълнение, различните методи на навиване могат да променят формата на стека, придавайки на батерията достатъчна деформируемост. Гъвкавата батерия показва отлична стабилност на цикъла и механична издръжливост благодарение на новия дизайн и има широки перспективи за приложение в различни гъвкави и носими електронни продукти.

Линк за литература

Вдъхновен от човешки стави структурен дизайн за огъваема/сгъваема/разтеглива/усукваща батерия: постигане на многократна деформируемост. (Енергийна среда. Sci., 2021 г., DOI: 10.1039/D1EE00480H)