Hong Kong CityU EES: Fleksibilna litijum-jonska baterija inspirisana ljudskim zglobovima

Pozadina istraživanja

Povećana potražnja za elektronskim proizvodima promoviše brzi razvoj fleksibilnih uređaja za skladištenje visoke gustine energije u posljednjih nekoliko godina. Fleksibilne litijum-jonske baterije (LIB) sa visokom gustinom energije i stabilnim elektrohemijskim performansama smatraju se najperspektivnijom tehnologijom baterija za nosive elektronske proizvode. Iako upotreba tankoslojnih elektroda i elektroda na bazi polimera dramatično poboljšava fleksibilnost LIB-ova, postoje sljedeći problemi:

(1) Većina fleksibilnih baterija je složena pomoću "negativna elektroda-separator-pozitivna elektroda", a njihova ograničena deformabilnost i klizanje između višeslojnih naslaga ograničavaju ukupne performanse LIB-ova;

(2) Pod nekim težim uslovima, kao što su savijanje, istezanje, namotavanje i složena deformacija, ne može garantovati performanse baterije;

(3) Dio strategije dizajna zanemaruje deformaciju trenutnog metalnog kolektora.

Stoga, istovremeno postizanje blagog ugla savijanja, višestrukih načina deformacije, vrhunske mehaničke izdržljivosti i velike gustoće energije i dalje se suočava sa mnogim izazovima.

Uvod

Nedavno su profesor Chunyi Zhi i dr. Cuiping Han sa Gradskog univerziteta u Hong Kongu objavili rad pod naslovom "Strukturni dizajn inspirisan ljudskim zglobovima za savitljive/sklopive/ rastezljive/uvrtljive baterije: postizanje višestruke deformabilnosti" na Energy Environ-u. Sci. Ovaj rad je inspirisan strukturom ljudskih zglobova i dizajnirao je neku vrstu fleksibilnih LIB-ova sličnih zglobnom sistemu. Na osnovu ovog novog dizajna, pripremljena, fleksibilna baterija može postići visoku gustoću energije i biti savijena ili čak presavijena za 180°. Istovremeno, strukturna struktura se može mijenjati različitim metodama namotavanja tako da fleksibilni LIB imaju bogate mogućnosti deformacije, mogu se primijeniti na teže i složenije deformacije (namotavanje i uvijanje), pa čak i rastegnuti, a njihove sposobnosti deformacije su daleko iznad prethodnih izvještaja o fleksibilnim LIB-ovima. Analiza simulacije konačnih elemenata potvrdila je da baterija dizajnirana u ovom radu neće doživjeti nepovratnu plastičnu deformaciju strujnog metalnog kolektora pod različitim oštrim i složenim deformacijama. U isto vrijeme, sklopljena četvrtasta baterija može postići gustinu energije do 371.9 Wh/L, što je 92.9% tradicionalne meke baterije. Osim toga, može održati stabilne performanse ciklusa čak i nakon više od 200,000 puta dinamičkog savijanja i 25,000 puta dinamičkog izobličenja.

Dalja istraživanja pokazuju da sastavljena cilindrična jedinična ćelija može izdržati teže i složenije deformacije. Nakon više od 100,000 dinamičkih istezanja, 20,000 uvijanja i 100,000 deformacija savijanja, još uvijek može postići visok kapacitet od više od 88% – stopu zadržavanja. Stoga, fleksibilni LIB-ovi predloženi u ovom radu pružaju veliku perspektivu za praktičnu primjenu u nosivoj elektronici.

Istaknuta istraživanja

1) Fleksibilni LIB, inspirisani ljudskim zglobovima, mogu održati stabilne performanse ciklusa pod deformacijama savijanja, uvijanja, istezanja i namotavanja;

(2) Sa kvadratnom fleksibilnom baterijom može postići gustinu energije do 371.9 Wh/L, što je 92.9% tradicionalne meke baterije;

(3) Različite metode namotavanja mogu promijeniti oblik baterije i dati bateriji dovoljnu deformabilnost.

Grafički vodič

Istraživanja su pokazala da, osim što osigurava veliku volumnu gustoću energije i složeniju deformaciju, konstrukcijski dizajn mora izbjeći i plastičnu deformaciju strujnog kolektora. Simulacija konačnih elemenata pokazuje da bi najbolja metoda strujnog kolektora trebala biti spriječiti da strujni kolektor ima mali radijus savijanja tokom procesa savijanja kako bi se izbjegla plastična deformacija i nepovratno oštećenje strujnog kolektora.

Slika 1a prikazuje strukturu ljudskih zglobova, u kojoj pametno veća zakrivljena površina pomaže zglobovima da se glatko rotiraju. Na osnovu toga, Slika 1b prikazuje tipičnu grafitnu anodu/dijafragmu/litijum kobaltat (LCO) anodu, koja se može namotati u četvrtastu strukturu debelog sloja. Na spoju se sastoji od dva debela kruta naslaga i fleksibilnog dijela. Što je još važnije, debela gomila ima zakrivljenu površinu koja je ekvivalentna poklopcu zglobne kosti, što pomaže tampon pritiska i obezbeđuje primarni kapacitet fleksibilne baterije. Elastični dio djeluje kao ligament, povezuje debele naslagave i pruža fleksibilnost (slika 1c). Osim namotavanja u četvrtastu gomilu, baterije sa cilindričnim ili trokutastim ćelijama mogu se proizvoditi i promjenom načina namotavanja (slika 1d). Za fleksibilne LIB-ove sa kvadratnim jedinicama za skladištenje energije, međusobno povezani segmenti će se kotrljati duž površine u obliku luka debele naslagače tokom procesa savijanja (slika 1e), čime se značajno povećava gustina energije fleksibilne baterije. Osim toga, kroz elastičnu polimernu inkapsulaciju, fleksibilni LIB-ovi s cilindričnim jedinicama mogu postići rastezljiva i fleksibilna svojstva (slika 1f).

Slika 1 (a) Dizajn jedinstvene veze ligamenta i zakrivljene površine je od suštinskog značaja za postizanje fleksibilnosti; (b) Šematski dijagram fleksibilne strukture baterije i proizvodnog procesa; (c) kost odgovara debljem snopu elektroda, a ligament odmotanom (D) Fleksibilna struktura baterije sa cilindričnim i trouglastim ćelijama; (e) Šematski dijagram slaganja kvadratnih ćelija; (f) Deformacija istezanja cilindričnih ćelija.

Daljnja upotreba mehaničke simulacijske analize potvrdila je stabilnost fleksibilne strukture baterije. Slika 2a prikazuje raspodjelu naprezanja bakrene i aluminijske folije kada su savijene u cilindar (180° radijana). Rezultati pokazuju da je naprezanje bakrene i aluminijske folije znatno niže od granice popuštanja, što ukazuje da ova deformacija neće uzrokovati plastičnu deformaciju. Trenutni kolektor metala može izbjeći nepovratna oštećenja.

Na slici 2b prikazana je raspodjela naprezanja kada se stepen savijanja dalje povećava, a naprezanje bakrene folije i aluminijske folije je također manje od odgovarajuće granice popuštanja. Stoga konstrukcija može izdržati deformaciju preklapanja uz održavanje dobre izdržljivosti. Osim deformacije savijanja, sistem može postići određeni stupanj izobličenja (slika 2c).

Za baterije sa cilindričnim jedinicama, zbog svojstvenih karakteristika kruga, može postići teže i složenije deformacije. Stoga, kada je baterija presavijena na 180o (slika 2d, e), rastegnuta na oko 140% originalne dužine (slika 2f) i uvrnuta na 90o (slika 2g), može održati mehaničku stabilnost. Osim toga, kada se savijanje + uvijanje i deformacija namotaja primjenjuju odvojeno, projektovana LIBs struktura neće uzrokovati nepovratnu plastičnu deformaciju strujnog metalnog kolektora pod različitim teškim i složenim deformacijama.

Slika 2 (ac) Rezultati simulacije konačnih elemenata kvadratne ćelije pod savijanjem, savijanjem i uvijanjem; (di) Rezultati simulacije konačnih elemenata cilindrične ćelije pod savijanjem, savijanjem, istezanjem, uvijanjem, savijanjem + uvijanjem i namotavanjem.

Za procjenu elektrohemijskih performansi dizajnirane fleksibilne baterije, LiCoO2 je korišten kao katodni materijal za testiranje kapaciteta pražnjenja i stabilnost ciklusa. Kao što je prikazano na slici 3a, kapacitet pražnjenja baterije sa kvadratnim ćelijama nije značajno smanjen nakon što se ravnina deformiše da se savija, prstena, presavija i uvija pri povećanju od 1 C, što znači da mehanička deformacija neće uzrokovati dizajn fleksibilna baterija elektrohemijski opada. Čak i nakon dinamičkog savijanja (slika 3c, d) i dinamičke torzije (slika 3e, f), te nakon određenog broja ciklusa, platforma za punjenje i pražnjenje i performanse dugog ciklusa nemaju vidljive promjene, što znači da unutrašnja struktura baterija je dobro zaštićena.

Slika 3 (a) Test punjenja i pražnjenja kvadratne jedinice baterije ispod 1C; (b) Krivulja punjenja i pražnjenja pod različitim uslovima; (c, d) Pod dinamičkim savijanjem, performanse ciklusa baterije i odgovarajuća kriva punjenja i pražnjenja; (e, f) Pod dinamičkom torzijom, performanse ciklusa baterije i odgovarajuća kriva punjenja-pražnjenja u različitim ciklusima.

Rezultati simulacijske analize pokazuju da zahvaljujući svojstvenim karakteristikama kruga, fleksibilni LIB sa cilindričnim elementima mogu izdržati ekstremnije i složenije deformacije. Stoga, da bi se demonstrirali elektrohemijske performanse fleksibilnih LIB-ova cilindrične jedinice, ispitivanje je provedeno pri brzini od 1 C, što je pokazalo da kada baterija podvrgne raznim deformacijama, gotovo da nema promjena u elektrohemijskim performansama. Deformacija neće uzrokovati promjenu krivulje napona (slika 4a, b).

Da bi se dodatno procijenila elektrohemijska stabilnost i mehanička izdržljivost cilindrične baterije, podvrgnuta je bateriju dinamičkom automatskom testu opterećenja pri brzini od 1 C. Istraživanja pokazuju da nakon dinamičkog istezanja (slika 4c, d), dinamička torzija (slika 4e, f) , i dinamičko savijanje + torzija (Slika 4g, h), performanse ciklusa punjenja i pražnjenja baterije i odgovarajuća krivulja napona ne utiču. Slika 4i prikazuje performanse baterije sa šarenom jedinicom za skladištenje energije. Kapacitet pražnjenja opada sa 133.3 mAm g-1 na 129.9 mAh g-1, a gubitak kapaciteta po ciklusu je samo 0.04%, što ukazuje da deformacija neće uticati na njegovu stabilnost ciklusa i kapacitet pražnjenja.

Slika 4 (a) Ispitivanje ciklusa punjenja i pražnjenja različitih konfiguracija cilindričnih ćelija na 1 C; (b) Odgovarajuće krive punjenja i pražnjenja baterije u različitim uslovima; (c, d) Performanse ciklusa i punjenje baterije pod dinamičkim naponom Kriva pražnjenja; (e, f) performanse ciklusa baterije pod dinamičkom torzijom i odgovarajuća krivulja punjenja-pražnjenja u različitim ciklusima; (g, h) performanse ciklusa baterije pod dinamičkim savijanjem + torzija i odgovarajuća krivulja punjenja-pražnjenja u različitim ciklusima; (I) Test punjenja i pražnjenja prizmatičnih jedinica baterija različitih konfiguracija na 1 C.

Kako bi procijenio primjenu razvijene fleksibilne baterije u praksi, autor koristi pune baterije s različitim tipovima jedinica za pohranu energije za napajanje nekih komercijalnih elektroničkih proizvoda, kao što su slušalice, pametni satovi, mini električni ventilatori, kozmetički instrumenti i pametni telefoni. Oba su dovoljna za svakodnevnu upotrebu, u potpunosti utjelovljuju potencijal primjene različitih fleksibilnih i nosivih elektroničkih proizvoda.

Slika 5 primjenjuje dizajniranu bateriju na slušalice, pametne satove, mini električne ventilatore, kozmetičku opremu i pametne telefone. Fleksibilna baterija napaja (a) slušalice, (b) pametne satove i (c) mini električne ventilatore; (d) napaja kozmetičku opremu; (e) pod različitim uslovima deformacije, fleksibilna baterija napaja pametne telefone.

Sažetak i izgledi

Ukratko, ovaj članak je inspiriran strukturom ljudskih zglobova. Predlaže jedinstvenu metodu dizajna za proizvodnju fleksibilne baterije visoke gustoće energije, višestruke deformabilnosti i izdržljivosti. U poređenju sa tradicionalnim fleksibilnim LIB-ovima, ovaj novi dizajn može efikasno izbeći plastičnu deformaciju trenutnog metalnog kolektora. U isto vrijeme, zakrivljene površine rezervirane na oba kraja jedinice za pohranu energije dizajnirane u ovom radu mogu učinkovito ublažiti lokalni stres međusobno povezanih komponenti. Osim toga, različite metode namotavanja mogu promijeniti oblik snopa, dajući bateriji dovoljnu deformabilnost. Fleksibilna baterija pokazuje odličnu stabilnost ciklusa i mehaničku izdržljivost zahvaljujući novom dizajnu i ima široke izglede za primjenu u raznim fleksibilnim i nosivim elektronskim proizvodima.

Veza za literaturu

Strukturalni dizajn inspiriran ljudskim zglobovima za savitljivu/sklopivu/rastezljivu/uvrtljivu bateriju: postizanje višestruke deformabilnosti. (Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)