Hong Kong CityU EES: lankstus ličio jonų akumuliatorius, įkvėptas žmogaus sąnarių

Tyrimo pagrindas

Didėjanti elektroninių gaminių paklausa pastaraisiais metais paskatino sparčią lanksčių ir didelio energijos tankio saugojimo įrenginių plėtrą. Lanksčios ličio jonų baterijos (LIB), pasižymintys dideliu energijos tankiu ir stabiliomis elektrocheminėmis savybėmis, laikomi perspektyviausia nešiojamų elektroninių gaminių baterijų technologija. Nors plonasluoksnių elektrodų ir polimerų pagrindu pagamintų elektrodų naudojimas žymiai pagerina LIB lankstumą, yra šios problemos:

(1) Dauguma lanksčių baterijų yra sukrautos naudojant „neigiamą elektrodo atskyriklio-teigiamą elektrodą“, o ribotas jų deformatyvumas ir slydimas tarp daugiasluoksnių krūvelių riboja bendrą LIB veikimą;

(2) Esant kai kurioms sunkesnėms sąlygoms, tokioms kaip sulankstymas, tempimas, vyniojimas ir sudėtinga deformacija, jis negali garantuoti akumuliatoriaus veikimo;

(3) Dalyje projektavimo strategijos neatsižvelgiama į dabartinio metalo kolektoriaus deformaciją.

Todėl vienu metu norint pasiekti nedidelį lenkimo kampą, kelis deformacijos režimus, puikų mechaninį patvarumą ir didelį energijos tankį, vis dar susiduriama su daugybe iššūkių.

Įvadas

Neseniai profesorius Chunyi Zhi ir daktaras Cuipingas Hanas iš Honkongo miesto universiteto paskelbė straipsnį „Žmogaus sąnarių įkvėptas lankstaus/sulankstomo/ištempiamo/sukamo akumuliatoriaus konstrukcinis dizainas: daugkartinio deformavimo pasiekimas“ apie Energy Environ. Sci. Šis darbas buvo įkvėptas žmogaus sąnarių struktūros ir sukūrė tam tikrus lanksčius LIB, panašius į sąnarių sistemą. Remiantis šiuo nauju dizainu, paruošta lanksti baterija gali pasiekti didelį energijos tankį ir būti sulenkta ar net sulankstyta 180° kampu. Tuo pačiu metu konstrukcinė struktūra gali būti pakeista taikant skirtingus apvijų metodus, kad lankstieji LIB turėtų daug deformacijų, juos būtų galima pritaikyti sunkesnėms ir sudėtingesnėms deformacijoms (apvijai ir sukimui) ir netgi ištempti, o jų deformacijos galimybės yra didesnės. gerokai daugiau nei ankstesnės ataskaitos apie lanksčius LIB. Baigtinių elementų modeliavimo analizė patvirtino, kad šiame darbe suprojektuota baterija nepatirtų negrįžtamos dabartinio metalo kolektoriaus plastinės deformacijos esant įvairioms atšiaurioms ir sudėtingoms deformacijoms. Tuo pačiu metu surinkta kvadratinio bloko baterija gali pasiekti iki 371.9 Wh/L energijos tankį, o tai yra 92.9% tradicinės minkštos baterijos. Be to, jis gali išlaikyti stabilų ciklo veikimą net po daugiau nei 200,000 25,000 kartų dinaminio lenkimo ir XNUMX XNUMX kartų dinaminio iškraipymo.

Tolesni tyrimai rodo, kad surinktas cilindrinis elementas gali atlaikyti rimtesnes ir sudėtingesnes deformacijas. Po daugiau nei 100,000 20,000 dinaminių tempimų, 100,000 88 posūkių ir XNUMX XNUMX lenkimo deformacijų jis vis tiek gali pasiekti didelę talpą, daugiau nei XNUMX % – sulaikymo koeficientą. Todėl šiame dokumente siūlomi lankstūs LIB suteikia didžiulę galimybę praktiškai pritaikyti nešiojamoje elektronikoje.

Svarbiausi tyrimų duomenys

1) Lankstūs LIB, įkvėpti žmogaus sąnarių, gali išlaikyti stabilų ciklo veikimą lenkimo, sukimosi, tempimo ir apvijų deformacijų metu;

(2) Su kvadratiniu lanksčiu akumuliatoriumi jis gali pasiekti iki 371.9 Wh/L energijos tankį, o tai yra 92.9 % tradicinės minkštos baterijos;

(3) Skirtingi apvijos metodai gali pakeisti akumuliatoriaus krūvos formą ir suteikti akumuliatoriui pakankamą deformaciją.

Grafinis vadovas

Tyrimai parodė, kad be didelio tūrio energijos tankio ir sudėtingesnių deformacijų užtikrinimo, konstrukcinė konstrukcija taip pat turi vengti plastinės srovės kolektoriaus deformacijos. Baigtinių elementų modeliavimas rodo, kad geriausias srovės kolektoriaus metodas turėtų būti neleisti, kad srovės kolektoriaus lenkimo spindulys lenkimo proceso metu būtų mažas, kad būtų išvengta plastinės deformacijos ir negrįžtamo srovės kolektoriaus pažeidimo.

1a paveiksle parodyta žmogaus sąnarių struktūra, kurioje sumaniai didesnis lenktas paviršiaus dizainas padeda jungtims sklandžiai suktis. Remiantis tuo, 1b paveiksle parodytas tipiškas grafito anodo / diafragmos / ličio kobaltato (LCO) anodas, kurį galima suvynioti į kvadratinę storio kamino struktūrą. Sankryžoje jis susideda iš dviejų storų standžių rietuvių ir lanksčios dalies. Dar svarbiau, kad storas krūvas turi išlenktą paviršių, atitinkantį sąnario kaulo dangtelį, kuris padeda sumažinti slėgį ir užtikrina pirminę lanksčios baterijos talpą. Elastinė dalis veikia kaip raištis, jungiantis storas rietuves ir suteikiantis lankstumo (1c pav.). Be vyniojimo į kvadratinį krūvą, pakeitus apvijos būdą galima gaminti ir baterijas su cilindriniais arba trikampiais elementais (1d pav.). Lankstiesiems LIB su kvadratiniais energijos kaupimo blokais tarpusavyje sujungti segmentai lenkimo proceso metu riedės išilgai lanko formos storo kamino paviršiaus (1e pav.), taip žymiai padidindami lanksčios baterijos energijos tankį. Be to, naudojant elastingą polimero kapsulę, lankstūs LIB su cilindriniais mazgais gali pasiekti tempimo ir lanksčios savybes (1f pav.).

1 paveikslas a) Unikalios raiščių jungties ir lenkto paviršiaus konstrukcija yra labai svarbi norint pasiekti lankstumą; b) lanksčios baterijos struktūros ir gamybos proceso schema; c) kaulas atitinka storesnį elektrodų krūvą, o raištis – išvyniotą (D) Lanksti akumuliatoriaus struktūra su cilindriniais ir trikampiais elementais; e) kvadratinių langelių sukrovimo schema; f) cilindrinių elementų tempimo deformacija.

Tolesnis mechaninio modeliavimo analizės naudojimas patvirtino lanksčios baterijos struktūros stabilumą. 2a paveiksle parodytas vario ir aliuminio folijos įtempių pasiskirstymas sulenkus į cilindrą (180° radianas). Rezultatai rodo, kad vario ir aliuminio folijos įtempis yra daug mažesnis už jų takumo ribą, o tai rodo, kad ši deformacija nesukels plastinių deformacijų. Dabartinis metalo kolektorius gali išvengti negrįžtamos žalos.

2b paveiksle parodytas įtempių pasiskirstymas, kai lenkimo laipsnis toliau didėja, o vario folijos ir aliuminio folijos įtempis taip pat yra mažesnis už atitinkamą takumo ribą. Todėl konstrukcija gali atlaikyti sulankstymo deformaciją, išlaikant gerą patvarumą. Be lenkimo deformacijos, sistema gali pasiekti tam tikrą iškraipymo laipsnį (2c pav.).

Akumuliatoriams su cilindriniais mazgais dėl būdingų apskritimo ypatybių gali atsirasti sunkesnė ir sudėtingesnė deformacija. Todėl, kai akumuliatorius sulankstytas iki 180o (2d pav., e), ištemptas iki maždaug 140% pradinio ilgio (2f pav.) ir susuktas iki 90o (2g pav.), jis gali išlaikyti mechaninį stabilumą. Be to, atskirai taikant lenkimą + sukimą ir apvijų deformaciją, suprojektuota LIB konstrukcija nesukels negrįžtamos plastinės esamo metalinio kolektoriaus deformacijos esant įvairioms sunkioms ir sudėtingoms deformacijoms.

2 paveikslas (ac) Kvadratinės ląstelės baigtinių elementų modeliavimo rezultatai lenkiant, sulenkiant ir sukant; (di) Cilindrinės ląstelės baigtinių elementų modeliavimo rezultatai lenkiant, sulenkiant, tempiant, sukant, lenkiant + sukant ir vyniojant.

Norint įvertinti suprojektuotos lanksčios baterijos elektrochemines charakteristikas, LiCoO2 buvo naudojamas kaip katodo medžiaga iškrovos pajėgumui ir ciklo stabilumui patikrinti. Kaip parodyta 3a paveiksle, akumuliatoriaus su kvadratiniais elementais iškrovimo talpa reikšmingai nesumažėja po to, kai plokštuma yra deformuota, kad sulenktų, sulenktų, sulenktų ir susuktų padidinus 1 C, o tai reiškia, kad mechaninė deformacija nesukels lankstus akumuliatorius turi būti elektrochemiškai Veikimas krenta. Net po dinaminio lenkimo (3c, d pav.) ir dinaminio sukimo (3e, f pav.) ir po tam tikro ciklų skaičiaus įkrovimo ir iškrovimo platforma bei ilgo ciklo veikimas neturi akivaizdžių pokyčių, o tai reiškia, kad baterija gerai apsaugota.

3 paveikslas a) kvadratinio vieneto akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo bandymas esant 1C temperatūrai; b) įkrovimo ir iškrovimo kreivė skirtingomis sąlygomis; c, d) esant dinaminiam lenkimui, akumuliatoriaus ciklo veikimas ir atitinkama įkrovimo ir iškrovimo kreivė; (e, f) Esant dinaminei sukimui, akumuliatoriaus ciklo veikimas ir atitinkama įkrovimo-iškrovimo kreivė skirtingais ciklais.

Modeliavimo analizės rezultatai rodo, kad dėl būdingų apskritimo savybių lankstūs LIB su cilindriniais elementais gali atlaikyti ekstremalesnes ir sudėtingesnes deformacijas. Todėl, norint parodyti cilindrinio bloko lanksčiųjų LIB elektrochemines savybes, buvo atliktas bandymas 1 C greičiu, kuris parodė, kad kai akumuliatorius patiria įvairias deformacijas, elektrocheminės savybės beveik nesikeičia. Dėl deformacijos įtampos kreivė nepasikeis (4a, b pav.).

Siekiant toliau įvertinti cilindrinio akumuliatoriaus elektrocheminį stabilumą ir mechaninį ilgaamžiškumą, akumuliatoriui buvo atliktas dinaminis automatinis apkrovos bandymas 1 C greičiu. Tyrimai rodo, kad po dinaminio tempimo (4c pav., d) atsirado dinaminis sukimas (4e, f pav.). , ir dinaminis lenkimas + sukimas (4g pav., h), akumuliatoriaus įkrovimo-iškrovimo ciklo veikimas ir atitinkama įtampos kreivė neturi įtakos. 4i paveiksle parodytas akumuliatoriaus su spalvingu energijos kaupikliu veikimas. Iškrovos talpa sumažėja nuo 133.3 mAm g-1 iki 129.9 mAh g-1, o talpos praradimas per ciklą yra tik 0.04%, o tai rodo, kad deformacija neturės įtakos jo ciklo stabilumui ir iškrovos pajėgumui.

4 paveikslas a) skirtingų konfigūracijų cilindrinių elementų įkrovimo ir iškrovimo ciklo bandymas esant 1 C temperatūrai; b) atitinkamos akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo kreivės skirtingomis sąlygomis; c, d) ciklo veikimas ir akumuliatoriaus įkrovimas esant dinaminiam įtempimui Iškrovimo kreivė; e, f) akumuliatoriaus ciklo charakteristikos veikiant dinaminei sukimui ir atitinkama įkrovimo-iškrovimo kreivė esant skirtingiems ciklams; g, h) akumuliatoriaus ciklo charakteristikos esant dinaminiam lenkimui + sukimui ir atitinkama įkrovimo-iškrovimo kreivė esant skirtingiems ciklams; (I) Įvairių konfigūracijų prizminių elementų akumuliatorių įkrovimo ir iškrovimo bandymas 1 C temperatūroje.

Siekdamas įvertinti sukurtos lanksčios baterijos pritaikymą praktikoje, autorius naudoja pilnas baterijas su skirtingų tipų energijos kaupikliais kai kurių komercinių elektronikos gaminių, tokių kaip ausinės, išmanieji laikrodžiai, mini elektriniai ventiliatoriai, kosmetikos instrumentai, išmanieji telefonai, maitinimui. Abiejų pakanka kasdieniam naudojimui, pilnai įkūnija įvairių lanksčių ir nešiojamų elektroninių gaminių pritaikymo potencialą.

5 paveiksle sukurta baterija taikoma ausinėms, išmaniesiems laikrodžiams, mini elektriniams ventiliatoriams, kosmetikos įrangai ir išmaniesiems telefonams. Lankstus akumuliatorius tiekia maitinimą (a) ausinėms, (b) išmaniesiems laikrodžiams ir (c) mini elektriniams ventiliatoriams; d) tiekia maitinimą kosmetikos įrangai; e) esant skirtingoms deformacijos sąlygoms, lanksti baterija tiekia maitinimą išmaniesiems telefonams.

Santrauka ir perspektyva

Apibendrinant, šis straipsnis įkvėptas žmogaus sąnarių sandaros. Jame siūlomas unikalus dizaino metodas, skirtas gaminti lanksčią bateriją, pasižyminčią dideliu energijos tankiu, daugybe deformacijų ir ilgaamžiškumu. Palyginti su tradiciniais lanksčiais LIB, šis naujas dizainas gali veiksmingai išvengti dabartinio metalo kolektoriaus plastinės deformacijos. Tuo pačiu metu išlenkti paviršiai, rezervuoti abiejuose šiame dokumente suprojektuoto energijos kaupimo įrenginio galuose, gali veiksmingai sumažinti vietinį tarpusavyje sujungtų komponentų įtempį. Be to, įvairūs apvijos būdai gali pakeisti kamino formą, todėl akumuliatorius pakankamai deformuojamas. Lankstus akumuliatorius pasižymi puikiu ciklo stabilumu ir mechaniniu patvarumu dėl naujos konstrukcijos ir turi plačias pritaikymo galimybes įvairiuose lanksčiuose ir nešiojamuose elektroniniuose gaminiuose.

Literatūros nuoroda

Žmogaus sąnarių įkvėptas konstrukcinis dizainas, skirtas lankstyti / sulankstyti / ištempti / pasukti akumuliatorių: pasiekiamas daugybinis deformavimas. (Energijos aplinka. Sci., 2021, DOI: 10.1039 / D1EE00480H)