Hong Kong CityU EES: Batré litium-ion fléksibel diideuan ku sendi manusa

Latar Panilitian

Ngaronjatna paménta pikeun produk éléktronik parantos ngamajukeun pamekaran gancang alat panyimpen anu fleksibel sareng dénsitas énergi anu luhur dina taun-taun ayeuna. Batré litium ion fléksibel (LIBs) kalayan kapadetan énergi anu luhur sareng kinerja éléktrokimia anu stabil dianggap téknologi batré anu paling ngajangjikeun pikeun produk éléktronik anu tiasa dianggo. Sanajan pamakéan éléktroda pilem ipis jeung éléktroda basis polimér nyirorot ngaronjatkeun kalenturan LIBs, aya masalah handap:

(1) Kalolobaan batré fléksibel anu tumpuk ku "éléktroda éléktroda-separator-positip négatip," sarta deformability kawates maranéhanana sarta slippage antara tumpukan multilayer ngawatesan kinerja sakabéh LIBs;

(2) Dina sababaraha kaayaan leuwih parna, kayaning tilepan, manjang, pungkal, sarta deformasi kompléks, éta teu bisa ngajamin kinerja batré;

(3) Bagian tina strategi desain malire deformasi tina kolektor logam ayeuna.

Ku alatan éta, sakaligus achieving sudut bending na slight, sababaraha modus deformasi, durability mékanis unggulan, sarta dénsitas énergi tinggi masih nyanghareupan loba tantangan.

perkenalan

Anyar-anyar ieu, Profesor Chunyi Zhi sareng Dr. Cuiping Han ti City University of Hong Kong medalkeun makalah anu judulna "Desain struktural anu diideuan ku manusa pikeun batré anu tiasa dibengkokkeun / dilipat / digulung / dipintal: ngahontal sababaraha deformasi" dina Energy Environ. Sci. Karya ieu diideuan ku struktur sendi manusa sareng ngarancang jinis LIB anu fleksibel anu sami sareng sistem gabungan. Dumasar kana desain novel ieu, batré anu disusun sareng fleksibel tiasa ngahontal dénsitas énergi anu luhur sareng ngagulung atanapi malah narilep dina 180 °. Dina waktu nu sarua, struktur struktural bisa dirobah ngaliwatan métode pungkal béda ambéh LIBs fléksibel boga kamampuhan deformasi euyeub, bisa dilarapkeun ka deformations leuwih parna tur kompléks (winding jeung twisting), komo bisa stretched, sarta kamampuhan deformasi maranéhanana nyaéta tebih saluareun laporan saméméhna ngeunaan LIBs fléksibel. Analisis simulasi unsur terhingga dikonfirmasi yén batré dirancang dina makalah ieu moal ngalaman deformasi palastik teu bisa balik ti kolektor logam ayeuna dina rupa deformations kasar jeung kompléks. Dina waktos anu sami, batré unit pasagi anu dirakit tiasa ngahontal dénsitas énergi dugi ka 371.9 Wh / L, nyaéta 92.9% tina batré bungkus lemes tradisional. Sajaba ti éta, bisa ngajaga kinerja siklus stabil malah sanggeus leuwih ti 200,000 kali bending dinamis sarta 25,000 kali distorsi dinamis.

Panalitian salajengna nunjukkeun yén sél unit silinder anu dirakit tiasa tahan deformasi anu langkung parah sareng kompleks. Sanggeus leuwih ti 100,000 manjang dinamis, 20,000 twists, sarta 100,000 deformations bending, éta masih bisa ngahontal kapasitas luhur leuwih ti 88% laju retention. Ku alatan éta, LIBs fléksibel diusulkeun dina makalah ieu nyadiakeun prospek masif pikeun aplikasi praktis dina éléktronika wearable.

Panalungtikan highlights

1) LIBs fléksibel, diideuan ku sendi manusa, bisa ngajaga kinerja siklus stabil dina bending, twisting, manjang, sarta pungkal deformations;

(2) Kalayan batré fléksibel pasagi, éta tiasa ngahontal dénsitas énergi dugi ka 371.9 Wh / L, nyaéta 92.9% tina batré bungkus lemes tradisional;

(3) métode pungkal béda bisa ngarobah bentuk tumpukan batré jeung masihan batré deformability cukup.

pituduh grafik

Panaliti nunjukkeun yén, salian pikeun mastikeun dénsitas énergi volume anu luhur sareng deformasi anu langkung kompleks, desain strukturna ogé kedah nyingkahan deformasi palastik tina kolektor ayeuna. Simulasi unsur terhingga nunjukeun yen metoda pangalusna tina collector ayeuna kudu nyegah collector ayeuna ngabogaan radius bending leutik salila prosés bending pikeun nyegah deformasi palastik jeung karuksakan teu bisa balik ti collector ayeuna.

Gambar 1a nembongkeun struktur sendi manusa, nu desain permukaan melengkung cleverly gedé mantuan sendi pikeun muterkeun mulus. Dumasar ieu, Gambar 1b nembongkeun anoda grafit has / diafragma / litium kobaltate (LCO) anoda, nu bisa tatu kana struktur tumpukan kandel pasagi. Di simpang, éta diwangun ku dua tumpukan kaku anu kandel sareng bagian anu fleksibel. Langkung importantly, tumpukan kandel ngabogaan permukaan melengkung sarua jeung panutup tulang gabungan, nu mantuan tekanan panyangga jeung nyadiakeun kapasitas primér batré fléksibel. Bagian elastis tindakan minangka ligamén a, nyambungkeun tumpukan kandel sarta nyadiakeun kalenturan (Gambar 1c). Salian ngagulung kana tumpukan pasagi, batré anu nganggo sél silinder atanapi triangular ogé tiasa diproduksi ku cara ngarobih metode ngagulung (Gambar 1d). Pikeun LIBs fléksibel jeung Unit gudang énergi pasagi, bagéan interconnected bakal gulung sapanjang beungeut busur-ngawangun tina tumpukan kandel salila prosés bending (Gambar 1e), kukituna nyata ngaronjatkeun dénsitas énergi batré fléksibel. Sajaba ti éta, ngaliwatan encapsulation polimér elastis, LIBs fléksibel jeung unit cylindrical bisa ngahontal sipat stretchable sarta fléksibel (Gambar 1f).

Gambar 1 (a) Desain sambungan ligamén unik sarta beungeut melengkung penting pikeun ngahontal kalenturan; (b) diagram Schematic struktur batré fléksibel jeung prosés manufaktur; (c) tulang pakait jeung tumpukan éléktroda kandel, sarta ligamén pakait unrolled (D) Struktur batré fléksibel jeung sél cylindrical na triangular; (e) Stacking diagram skématik sél pasagi; (f) Manjang deformasi sél cylindrical.

Pamakéan salajengna analisis simulasi mékanis dikonfirmasi stabilitas struktur batré fléksibel. Gambar 2a nembongkeun sebaran tegangan tambaga jeung aluminium foil nalika ngagulung kana silinder (180° radian). Hasilna nunjukkeun yén setrés tambaga sareng aluminium foil langkung handap tibatan kakuatan ngahasilkeunna, nunjukkeun yén deformasi ieu moal nyababkeun deformasi plastik. Kolektor logam ayeuna tiasa ngahindarkeun karusakan anu teu tiasa malik.

Gambar 2b nembongkeun sebaran stress nalika darajat bending ieu salajengna ngaronjat, sarta stress foil tambaga jeung aluminium foil oge kirang ti kakuatan ngahasilkeun pakait maranéhanana. Ku alatan éta, struktur bisa tahan deformasi tilepan bari ngajaga durability alus. Salian deformasi bending, sistem bisa ngahontal gelar tangtu distorsi (Gambar 2c).

Pikeun batré jeung unit cylindrical, alatan ciri alamiah bunderan, éta bisa ngahontal deformasi leuwih parna sarta kompléks. Ku alatan éta, nalika batréna narilep ka 180o (Gambar 2d, e), stretched mun ngeunaan 140% tina panjang aslina (Gambar 2f), sarta twisted ka 90o (Gambar 2g), éta bisa ngajaga stabilitas mékanis. Sajaba ti éta, nalika bending + twisting na pungkal deformasi diterapkeun misah, struktur LIBs dirancang moal ngabalukarkeun deformasi palastik teu bisa balik ti kolektor logam ayeuna dina rupa deformasi parna sarta kompléks.

Gambar 2 (ac) Hasil simulasi unsur terhingga sél pasagi handapeun ngagulung, tilepan, jeung twisting; (di) Hasil simulasi unsur terhingga sél cylindrical handapeun bending, tilepan, stretching, twisting, bending + twisting na winding.

Pikeun evaluate kinerja éléktrokimia tina batré fléksibel dirancang, LiCoO2 dipaké salaku bahan katoda pikeun nguji kapasitas ngurangan tur stabilitas siklus. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 3a, kapasitas ngurangan tina batré jeung sél pasagi teu nyata ngurangan sanggeus pesawat ieu cacad ngabengkokkeun, cingcin, narilep, sarta twisted di 1 C magnification, nu hartina deformasi mékanis moal ngabalukarkeun desain. batré fléksibel janten electrochemically Performance turun. Malah sanggeus bending dinamis (Gambar 3c, d) jeung torsion dinamis (Gambar 3e, f), sarta sanggeus sababaraha siklus, ngecas na discharging platform jeung kinerja siklus panjang euweuh parobahan katempo, nu hartina struktur internal tina. batréna ogé ditangtayungan.

Gambar 3 (a) Nguji muatan jeung ngaleupaskeun batré unit pasagi dina 1C; (b) Kurva muatan jeung ngurangan dina kaayaan anu béda; (c, d) Dina bending dinamis, kinerja siklus batré jeung muatan saluyu jeung kurva ngurangan; (e, f) Dina torsion dinamis, kinerja siklus batré jeung kurva muatan-ngaleupaskeun pakait dina siklus béda.

Hasil analisis simulasi némbongkeun yén berkat ciri alamiah bunderan, LIBs fléksibel jeung elemen cylindrical bisa tahan deformations leuwih ekstrim na kompléks. Ku alatan éta, pikeun nunjukkeun kinerja éléktrokimia tina LIBs fléksibel tina unit cylindrical, tés dilaksanakeun dina laju 1 C, anu nunjukkeun yén nalika batréna ngalaman rupa-rupa deformasi, ampir henteu aya parobahan dina pagelaran éléktrokimia. Deformasi moal ngabalukarkeun kurva tegangan robah (Gambar 4a, b).

Jang meberkeun evaluate stabilitas éléktrokimia batré cylindrical sarta durability mékanis, éta subjected batréna ka test beban otomatis dinamis dina laju 1 C. Panalungtikan némbongkeun yén sanggeus manjang dinamis (Gambar 4c, d), torsion dinamis (Gambar 4e, f) , sarta bending dinamis + torsion (Gambar 4g, h), kinerja siklus charge-discharge batré jeung kurva tegangan pakait teu kapangaruhan. Gambar 4i nembongkeun kinerja batré jeung Unit gudang énergi warni. Kapasitas discharge decays ti 133.3 mAm g-1 mun 129.9 mAh g-1, sarta leungitna kapasitas per siklus ngan 0.04%, nunjukkeun yén deformasi moal mangaruhan stabilitas siklus sarta kapasitas ngurangan.

Gambar 4 (a) Uji siklus muatan jeung ngurangan tina konfigurasi béda sél cylindrical dina 1 C; (b) Kurva muatan sareng ngurangan batré dina kaayaan anu béda; (c, d) Siklus kinerja jeung muatan batré dina tegangan dinamis kurva ngurangan; (e, f) kinerja siklus batré dina torsion dinamis jeung kurva muatan-ngaleupaskeun pakait dina siklus béda; (g, h) kinerja siklus batré dina bending dinamis + torsi sarta kurva muatan-ngaleupaskeun pakait dina siklus béda; (I) Nguji muatan sareng ngaleupaskeun batré unit prismatik kalayan konfigurasi anu béda dina 1 C.

Pikeun meunteun aplikasi tina batré fléksibel dimekarkeun dina prakna, panulis ngagunakeun accu pinuh ku tipena béda unit panyimpen énergi pikeun kakuatan sababaraha produk éléktronik komérsial, kayaning earphones, smartwatches, kipas listrik mini, instrumen kosmetik, sarta telepon pinter. Duanana cukup pikeun pamakéan sapopoé, pinuh embody poténsi aplikasi rupa-rupa produk éléktronik fléksibel tur wearable.

Gambar 5 nerapkeun batré anu dirancang pikeun earphone, jam tangan pinter, kipas listrik mini, alat kosmetik, sareng smartphone. Batré anu fleksibel nyayogikeun kakuatan pikeun (a) earphone, (b) jam tangan pinter, sareng (c) kipas listrik mini; (d) suplai kakuatan pikeun alat-alat kosmetik; (e) dina kaayaan deformasi béda, batré fléksibel nyadiakeun kakuatan pikeun smartphone.

Ringkesan jeung outlook

Kasimpulanana, tulisan ieu diideuan ku struktur sendi manusa. Ieu proposes metoda desain unik pikeun manufaktur batré fléksibel jeung dénsitas énergi tinggi, sababaraha deformability, sarta durability. Dibandingkeun sareng LIBs fléksibel tradisional, desain anyar ieu sacara efektif tiasa nyingkahan deformasi palastik tina kolektor logam ayeuna. Dina waktos anu sami, permukaan melengkung anu ditangtayungan dina kadua tungtung unit panyimpen énérgi anu dirarancang dina makalah ieu sacara efektif tiasa ngaleungitkeun setrés lokal tina komponén anu dihubungkeun. Sajaba ti éta, métode pungkal béda bisa ngarobah bentuk tumpukan, mere batré deformability cukup. Batré fléksibel némbongkeun stabilitas siklus alus teuing jeung durability mékanis berkat desain novel sarta boga prospek aplikasi éksténsif dina sagala rupa produk éléktronik fléksibel tur wearable.

Patalina sastra

Desain struktural gabungan-diideuan manusa pikeun bengkok / foldable / stretchable / batré twistable: achieving sababaraha deformability. (Lingkungan Énergi. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)