Hong Kong CityU EES: elastīgs litija jonu akumulators, ko iedvesmojušas cilvēka locītavas

Pētījuma fons

Pieaugošais pieprasījums pēc elektroniskajiem izstrādājumiem pēdējos gados ir veicinājis elastīgu un augsta enerģijas blīvuma datu glabāšanas ierīču strauju attīstību. Elastīgi litija jonu akumulatori (LIB) ar augstu enerģijas blīvumu un stabilu elektroķīmisko veiktspēju tiek uzskatītas par visdaudzsološāko akumulatoru tehnoloģiju valkājamiem elektroniskajiem izstrādājumiem. Lai gan plānslāņa elektrodu un polimēru elektrodu izmantošana ievērojami uzlabo LIB elastību, pastāv šādas problēmas:

(1) Lielākajai daļai elastīgo bateriju ir "negatīvs elektrodu atdalītājs-pozitīvs elektrods", un to ierobežotā deformējamība un slīdēšana starp daudzslāņu kaudzēm ierobežo LIB vispārējo veiktspēju;

(2) Dažos nopietnākos apstākļos, piemēram, locīšanas, stiepšanās, uztīšanas un sarežģītas deformācijas gadījumā, tas nevar garantēt akumulatora darbību;

(3) Daļa no projektēšanas stratēģijas ignorē pašreizējā metāla kolektora deformāciju.

Tāpēc, vienlaikus nodrošinot nelielo lieces leņķi, vairākus deformācijas režīmus, izcilu mehānisko izturību un augstu enerģijas blīvumu, joprojām ir daudz problēmu.

Ievads

Nesen profesors Chunyi Zhi un Dr. Cuiping Han no Honkongas Pilsētas universitātes publicēja rakstu "Cilvēka locītavu iedvesmots konstrukcijas dizains saliekamam/saliekamam/stiepjamam/savojamam akumulatoram: daudzkārtējas deformējamības sasniegšana" vietnē Energy Environ. Sci. Šo darbu iedvesmoja cilvēka locītavu struktūra un tika izstrādāti sava veida elastīgi LIB, kas līdzīgi locītavu sistēmai. Pamatojoties uz šo jauno dizainu, sagatavotais, elastīgais akumulators var sasniegt augstu enerģijas blīvumu, un to var saliekt vai pat salocīt par 180°. Tajā pašā laikā konstrukcijas struktūru var mainīt, izmantojot dažādas tinumu metodes, lai elastīgajiem LIB būtu bagātīgas deformācijas spējas, tos varētu izmantot smagākām un sarežģītākām deformācijām (tinumiem un pagriešanai) un pat izstiept, un to deformācijas iespējas ir lielākas. tālu pārsniedz iepriekšējos elastīgo LIB ziņojumus. Galīgo elementu simulācijas analīze apstiprināja, ka šajā rakstā projektētajam akumulatoram dažādu skarbu un sarežģītu deformāciju rezultātā netiks veikta pašreizējā metāla kolektora neatgriezeniska plastiskā deformācija. Tajā pašā laikā saliktā kvadrātveida vienības akumulators var sasniegt enerģijas blīvumu līdz 371.9 Wh/L, kas ir 92.9% no tradicionālā mīkstā iepakojuma akumulatora. Turklāt tas var uzturēt stabilu cikla veiktspēju pat pēc vairāk nekā 200,000 25,000 reižu dinamiskas lieces un XNUMX XNUMX reižu dinamiskas kropļošanas.

Turpmākie pētījumi liecina, ka samontētā cilindriskā bloka šūna var izturēt smagākas un sarežģītākas deformācijas. Pēc vairāk nekā 100,000 20,000 dinamisku stiepšanu, 100,000 88 pagriezienu un XNUMX XNUMX lieces deformāciju tas joprojām var sasniegt augstu kapacitāti, kas pārsniedz XNUMX% — aiztures līmeni. Tāpēc šajā dokumentā piedāvātie elastīgie LIB sniedz milzīgas iespējas praktiski pielietot valkājamās elektronikas jomā.

Pētījumu rezultāti

1) Elastīgie LIB, ko iedvesmojuši cilvēka locītavas, var uzturēt stabilu cikla veiktspēju lieces, vērpšanas, stiepšanās un tinumu deformācijas apstākļos;

(2) Ar kvadrātveida elastīgu akumulatoru tas var sasniegt enerģijas blīvumu līdz 371.9 Wh/L, kas ir 92.9% no tradicionālā mīkstā iepakojuma akumulatora;

(3) Dažādas tinumu metodes var mainīt akumulatora kaudzes formu un nodrošināt akumulatoram pietiekamu deformējamību.

Grafiskais ceļvedis

Pētījumi ir parādījuši, ka papildus liela apjoma enerģijas blīvuma un sarežģītākas deformācijas nodrošināšanai konstrukcijas projektā ir arī jāizvairās no strāvas kolektora plastiskas deformācijas. Galīgo elementu simulācija parāda, ka labākajai strāvas kolektora metodei jābūt novērst strāvas kolektora mazu lieces rādiusu lieces procesā, lai izvairītos no plastiskās deformācijas un neatgriezeniskiem strāvas kolektora bojājumiem.

1.a attēlā parādīta cilvēka locītavu struktūra, kurā gudri lielāka izliektā virsmas konstrukcija palīdz locītavām vienmērīgi griezties. Pamatojoties uz to, 1.b attēlā parādīts tipisks grafīta anoda/diafragmas/litija kobalta (LCO) anods, ko var uztīt kvadrātveida biezā kaudzes struktūrā. Savienojumā tas sastāv no diviem bieziem stingriem skursteņiem un elastīgas daļas. Vēl svarīgāk ir tas, ka biezajam skursteni ir izliekta virsma, kas ir līdzvērtīga locītavas kaula vākam, kas palīdz bufera spiedienu un nodrošina elastīgā akumulatora primāro kapacitāti. Elastīgā daļa darbojas kā saite, savienojot biezas kaudzes un nodrošinot elastību (1.c attēls). Papildus tīšanai kvadrātveida kaudzē, akumulatorus ar cilindriskām vai trīsstūrveida elementiem var izgatavot arī, mainot uztīšanas metodi (1.d attēls). Elastīgām LIB ar kvadrātveida enerģijas uzkrāšanas vienībām savstarpēji savienotie segmenti lieces procesā ripos gar biezā kaudzes lokveida virsmu (1.e attēls), tādējādi ievērojami palielinot elastīgā akumulatora enerģijas blīvumu. Turklāt, izmantojot elastīgu polimēru iekapsulāciju, elastīgas LIB ar cilindriskām vienībām var sasniegt stiepjamas un elastīgas īpašības (1.f attēls).

1. attēls (a) Lai panāktu elastību, ir svarīgi izveidot unikālu saišu savienojumu un izliektu virsmu; b) elastīgas akumulatora struktūras un ražošanas procesa shematiskā diagramma; (c) kauls atbilst biezākai elektrodu kopai, un saite atbilst atritinātai (D) Elastīga akumulatora struktūra ar cilindriskām un trīsstūrveida šūnām; e) kvadrātveida šūnu shematiskā diagramma; f) cilindrisku šūnu stiepšanās deformācija.

Turpmāka mehāniskās simulācijas analīzes izmantošana apstiprināja elastīgās akumulatora struktūras stabilitāti. 2.a attēlā parādīts vara un alumīnija folijas sprieguma sadalījums, kad tas ir saliekts cilindrā (180° radiāns). Rezultāti liecina, ka vara un alumīnija folijas spriegums ir daudz zemāks par to tecēšanas robežu, kas liecina, ka šī deformācija neizraisīs plastisko deformāciju. Pašreizējais metāla savācējs var izvairīties no neatgriezeniskiem bojājumiem.

2.b attēlā parādīts sprieguma sadalījums, kad lieces pakāpe tiek vēl vairāk palielināta, un arī vara folijas un alumīnija folijas spriegums ir mazāks par to atbilstošo tecēšanas robežu. Tāpēc konstrukcija var izturēt locīšanas deformāciju, vienlaikus saglabājot labu izturību. Papildus lieces deformācijai sistēma var sasniegt zināmu izkropļojumu pakāpi (2.c attēls).

Baterijām ar cilindriskām vienībām apļa raksturīgo īpašību dēļ tas var sasniegt smagāku un sarežģītāku deformāciju. Tāpēc, kad akumulators ir salocīts līdz 180o (2.d, e attēls), izstiepts līdz aptuveni 140% no sākotnējā garuma (2.f attēls) un sagriezts līdz 90o (2.g attēls), tas var saglabāt mehānisko stabilitāti. Turklāt, atsevišķi pielietojot lieces + vērpšanu un tinumu deformāciju, projektētā LIB konstrukcija neradīs neatgriezenisku pašreizējā metāla kolektora plastisko deformāciju pie dažādām smagām un sarežģītām deformācijām.

2. attēls (ac) Kvadrātveida šūnas galīgo elementu simulācijas rezultāti lieces, locīšanas un vīšanas laikā; (di) cilindriskas šūnas galīgo elementu simulācijas rezultāti lieces, locīšanas, stiepšanas, vērpšanas, locīšanas + vērpšanas un tinuma laikā.

Lai novērtētu izstrādātā elastīgā akumulatora elektroķīmisko veiktspēju, LiCoO2 tika izmantots kā katoda materiāls, lai pārbaudītu izlādes spēju un cikla stabilitāti. Kā parādīts 3.a attēlā, akumulatora ar kvadrātveida elementiem izlādes jauda būtiski nesamazinās pēc plaknes deformācijas, lai saliektu, gredzenotu, salocītu un sagrieztu 1 C palielinājumā, kas nozīmē, ka mehāniskā deformācija neizraisīs elastīgs akumulators ir elektroķīmiski Veiktspēja samazinās. Pat pēc dinamiskas lieces (3.c, d attēls) un dinamiskas vērpes (3.e, f attēls) un pēc noteikta ciklu skaita uzlādes un izlādes platformai un ilga cikla veiktspējai nav redzamu izmaiņu, kas nozīmē, ka akumulators ir labi aizsargāts.

3. attēls (a) kvadrātveida vienības akumulatora uzlādes un izlādes tests zem 1C; b) uzlādes un izlādes līkne dažādos apstākļos; c, d) dinamiskas lieces gadījumā akumulatora cikla veiktspēja un atbilstošā uzlādes un izlādes līkne; (e, f) Dinamiskās vērpes apstākļos akumulatora cikla veiktspēja un atbilstošā uzlādes-izlādes līkne dažādos ciklos.

Simulācijas analīzes rezultāti liecina, ka, pateicoties apļa raksturīgajām īpašībām, elastīgās LIB ar cilindriskiem elementiem var izturēt ekstrēmākas un sarežģītākas deformācijas. Tāpēc, lai demonstrētu cilindriskā bloka elastīgo LIB elektroķīmisko veiktspēju, tests tika veikts ar ātrumu 1 C, kas parādīja, ka tad, kad akumulators tiek pakļauts dažādām deformācijām, elektroķīmiskā veiktspēja gandrīz nemainās. Deformācijas rezultātā sprieguma līkne nemainīsies (4.a, b attēls).

Lai vēl vairāk novērtētu cilindriskā akumulatora elektroķīmisko stabilitāti un mehānisko izturību, tas pakļāva akumulatoru dinamiskai automatizētai slodzes pārbaudei ar ātrumu 1 C. Pētījumi liecina, ka pēc dinamiskas stiepšanās (4.c, d attēls) dinamiskā vērpes (4.e, f attēls). , un dinamiskā liece + vērpes (4.g, h attēls), akumulatora uzlādes-izlādes cikla veiktspēja un atbilstošā sprieguma līkne netiek ietekmēta. 4.i attēlā parādīta akumulatora veiktspēja ar krāsainu enerģijas uzkrāšanas bloku. Izlādes jauda samazinās no 133.3 mAm g-1 līdz 129.9 mAh g-1, un jaudas zudums vienā ciklā ir tikai 0.04%, kas norāda, ka deformācija neietekmēs tā cikla stabilitāti un izlādes jaudu.

4. attēls a) dažādu konfigurāciju cilindrisku elementu uzlādes un izlādes cikla tests 1 C temperatūrā; b) atbilstošās akumulatora uzlādes un izlādes līknes dažādos apstākļos; (c, d) Akumulatora cikla veiktspēja un uzlāde dinamiskā spriegumā Izlādes līkne; e, f) akumulatora cikla veiktspēja dinamiskas vērpes apstākļos un atbilstošā uzlādes-izlādes līkne dažādos ciklos; g, h) akumulatora cikla veiktspēja dinamiskas lieces + vērpes apstākļos un atbilstošā uzlādes-izlādes līkne dažādos ciklos; (I) Dažādu konfigurāciju prizmatisku bloku akumulatoru uzlādes un izlādes tests 1 C temperatūrā.

Lai novērtētu izstrādātā elastīgā akumulatora pielietojumu praksē, autore izmanto pilnas baterijas ar dažāda veida enerģijas akumulatoriem, lai darbinātu dažus komerciālos elektroniskos produktus, piemēram, austiņas, viedpulksteņus, mini elektriskos ventilatorus, kosmētikas instrumentus un viedtālruņus. Abi ir pietiekami ikdienas lietošanai, pilnībā iemieso dažādu elastīgu un valkājamu elektronisko izstrādājumu pielietojuma potenciālu.

5. attēlā paredzētais akumulators attiecas uz austiņām, viedpulksteņiem, mini elektriskajiem ventilatoriem, kosmētikas aprīkojumu un viedtālruņiem. Elastīgais akumulators nodrošina strāvu (a) austiņām, (b) viedpulksteņiem un (c) mini elektriskajiem ventilatoriem; d) nodrošina strāvas padevi kosmētikas aprīkojumam; e) dažādos deformācijas apstākļos elastīgais akumulators nodrošina viedtālruņu strāvu.

Kopsavilkums un perspektīvas

Rezumējot, šis raksts ir iedvesmots no cilvēka locītavu struktūras. Tā piedāvā unikālu dizaina metodi elastīga akumulatora ražošanai ar augstu enerģijas blīvumu, daudzkārtēju deformējamību un izturību. Salīdzinot ar tradicionālajiem elastīgajiem LIB, šis jaunais dizains var efektīvi novērst pašreizējā metāla kolektora plastisko deformāciju. Tajā pašā laikā izliektās virsmas, kas rezervētas šajā dokumentā izstrādātās enerģijas uzglabāšanas vienības abos galos, var efektīvi mazināt savstarpēji savienoto komponentu lokālo stresu. Turklāt dažādas uztīšanas metodes var mainīt skursteņa formu, nodrošinot akumulatoram pietiekamu deformējamību. Elastīgais akumulators demonstrē izcilu cikla stabilitāti un mehānisko izturību, pateicoties jaunajam dizainam, un tam ir plašas pielietojuma iespējas dažādos elastīgos un valkājamos elektroniskajos izstrādājumos.

Literatūras saite

Cilvēka locītavu iedvesmots konstrukcijas dizains saliekamam/saliekamam/stiepjamam/savojamam akumulatoram: panāk daudzkārtēju deformējamību. (Enerģijas vide. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)