By hoppt
Id-domanda dejjem tikber għal prodotti elettroniċi ppromwoviet l-iżvilupp mgħaġġel ta 'apparat ta' ħażna flessibbli u ta 'densità għolja ta' enerġija f'dawn l-aħħar snin. Batteriji tal-jone tal-litju flessibbli (LIBs) b'densità għolja ta 'enerġija u prestazzjoni elettrokimika stabbli huma kkunsidrati bħala l-aktar teknoloġija promettenti tal-batterija għal prodotti elettroniċi li jintlibsu. Għalkemm l-użu ta 'elettrodi ta' film irqiq u elettrodi bbażati fuq polimeru jtejjeb b'mod drammatiku l-flessibbiltà tal-LIBs, hemm il-problemi li ġejjin:
(1) Il-biċċa l-kbira tal-batteriji flessibbli huma f'munzelli minn "elettrodu negattiv-separatur-pożittiv tal-elettrodu", u d-deformabilità limitata tagħhom u ż-żlieq bejn munzelli b'ħafna saffi jirrestrinġu l-prestazzjoni ġenerali tal-LIBs;
(2) Taħt xi kundizzjonijiet aktar severi, bħal tiwi, tiġbid, tkebbib, u deformazzjoni kumplessa, ma tistax tiggarantixxi l-prestazzjoni tal-batterija;
(3) Parti mill-istrateġija tad-disinn tinjora d-deformazzjoni tal-kollettur tal-metall kurrenti.
Għalhekk, fl-istess ħin jikseb l-angolu żgħir ta 'liwi tiegħu, modi ta' deformazzjoni multipli, durabilità mekkanika superjuri, u densità għolja ta 'enerġija għadha tiffaċċja ħafna sfidi.
Riċentement, il-Professur Chunyi Zhi u Dr Cuiping Han tal-Università tal-Belt ta 'Hong Kong ippubblikaw karta intitolata "Disinn strutturali ispirat konġunt tal-bniedem għal batterija li tista' titgħawweġ/li jintwew/jiġġebbed/jdawwru: kisba ta 'deformabilità multipla" fuq Energy Environ. Sci. Dan ix-xogħol kien ispirat mill-istruttura tal-ġogi tal-bniedem u ddisinjat tip ta 'LIBs flessibbli simili għas-sistema konġunta. Ibbażat fuq dan id-disinn ġdid, il-batterija ppreparata u flessibbli tista 'tikseb densità għolja ta' enerġija u tkun milwija jew saħansitra mitwija f'180°. Fl-istess ħin, l-istruttura strutturali tista 'tinbidel permezz ta' metodi ta 'tkebbib differenti sabiex LIBs flessibbli jkollhom kapaċitajiet ta' deformazzjoni sinjuri, jistgħu jiġu applikati għal deformazzjonijiet aktar severi u kumplessi (istralċ u brim), u jistgħu saħansitra jiġu mġebbda, u l-kapaċitajiet ta 'deformazzjoni tagħhom huma ferm lil hinn mir-rapporti preċedenti ta’ LIBs flessibbli. Analiżi ta 'simulazzjoni ta' elementi finiti kkonfermat li l-batterija ddisinjata f'dan id-dokument ma tgħaddix minn deformazzjoni plastika irriversibbli tal-kollettur tal-metall kurrenti taħt diversi deformazzjonijiet ħarxa u kumplessi. Fl-istess ħin, il-batterija tal-unità kwadra immuntata tista 'tikseb densità tal-enerġija sa 371.9 Wh/L, li hija 92.9% tal-batterija tradizzjonali tal-pakkett artab. Barra minn hekk, jista 'jżomm prestazzjoni ta' ċiklu stabbli anke wara aktar minn 200,000 darba ta 'liwi dinamiku u 25,000 darba ta' distorsjoni dinamika.
Aktar riċerka turi li ċ-ċellula ta 'unità ċilindrika immuntata tista' tiflaħ deformazzjonijiet aktar severi u kumplessi. Wara aktar minn 100,000 tiġbid dinamiku, 20,000 dawra, u 100,000 deformazzjoni liwi, xorta tista 'tikseb kapaċità għolja ta' aktar minn 88% — rata ta 'żamma. Għalhekk, il-LIBs flessibbli proposti f'dan id-dokument jipprovdu prospett massiv għal applikazzjonijiet prattiċi fl-elettronika li jintlibes.
1) LIBs flessibbli, ispirati minn ġonot umani, jistgħu jżommu prestazzjoni stabbli taċ-ċiklu taħt deformazzjonijiet ta 'liwi, brim, tiġbid u tkebbib;
(2) B'batterija kwadra flessibbli, tista 'tikseb densità ta' enerġija sa 371.9 Wh/L, li hija 92.9% tal-batterija tradizzjonali ta 'soft-pack;
(3) Metodi ta 'tkebbib differenti jistgħu jibdlu l-forma tal-munzell tal-batterija u jagħtu lill-batterija deformabilità suffiċjenti.
1. Disinn ta 'tip ġdid ta' LIBs flessibbli bijoniċi
Ir-riċerka wriet li, minbarra li tiżgura densità ta 'enerġija ta' volum għoli u deformazzjoni aktar kumplessa, id-disinn strutturali għandu wkoll jevita deformazzjoni plastika tal-kollettur kurrenti. Is-simulazzjoni tal-element finit turi li l-aħjar metodu tal-kollettur tal-kurrent għandu jkun li jipprevjeni li l-kollettur tal-kurrent ikollu raġġ żgħir ta 'liwi matul il-proċess tal-liwi biex tiġi evitata d-deformazzjoni tal-plastik u l-ħsara irriversibbli tal-kollettur tal-kurrent.
Il-Figura 1a turi l-istruttura tal-ġogi tal-bniedem, li fiha d-disinn tal-wiċċ mgħawweġ b'mod għaqli akbar jgħin lill-ġogi jduru bla xkiel. Ibbażat fuq dan, il-Figura 1b turi anodu tipiku tal-grafita/dijaframma/kobaltat tal-litju (LCO), li jista 'jiġi mdawwar fi struttura ta' munzell oħxon kwadru. Fil-junction, tikkonsisti f'żewġ munzelli riġidi ħoxnin u parti flessibbli. Aktar importanti minn hekk, il-munzell oħxon għandu wiċċ mgħawġa ekwivalenti għall-għatu tal-għadam tal-ġonta, li jgħin il-pressjoni buffer u jipprovdi l-kapaċità primarja tal-batterija flessibbli. Il-parti elastika taġixxi bħala ligament, tgħaqqad munzelli ħoxnin u tipprovdi flessibilità (Figura 1c). Minbarra l-istralċ f'munzell kwadru, batteriji b'ċelloli ċilindriċi jew trijangolari jistgħu wkoll jiġu manifatturati billi jinbidel il-metodu tal-istralċ (Figura 1d). Għal LIBs flessibbli b'unitajiet ta 'ħażna ta' enerġija kwadra, is-segmenti interkonnessi se jirromblaw tul il-wiċċ f'forma ta 'ark tal-munzell oħxon matul il-proċess tal-liwi (Figura 1e), u b'hekk iżidu b'mod sinifikanti d-densità tal-enerġija tal-batterija flessibbli. Barra minn hekk, permezz ta 'inkapsulament ta' polimeru elastiku, LIBs flessibbli b'unitajiet ċilindriċi jistgħu jiksbu proprjetajiet stretchable u flessibbli (Figura 1f).
Figura 1 (a) Id-disinn ta 'konnessjoni unika tal-ligament u wiċċ mgħawweġ huwa essenzjali biex tinkiseb flessibilità; (b) Dijagramma skematika tal-istruttura flessibbli tal-batterija u l-proċess tal-manifattura; (c) l-għadam jikkorrispondi għal munzell ta 'elettrodi eħxen, u l-ligament jikkorrispondi għal struttura tal-batterija mhux irrumblata (D) b'ċelluli ċilindriċi u trijangolari; (e) Dijagramma skematika ta' stivar ta' ċelloli kwadri; (f) Deformazzjoni tat-tiġbid taċ-ċelloli ċilindriċi.
2. Analiżi ta 'simulazzjoni ta' elementi finiti
Użu ulterjuri ta 'analiżi ta' simulazzjoni mekkanika kkonferma l-istabbiltà tal-istruttura flessibbli tal-batterija. Il-Figura 2a turi d-distribuzzjoni tal-istress tar-ram u l-fojl tal-aluminju meta mgħawġa f'ċilindru (180 ° radian). Ir-riżultati juru li l-istress tar-ram u l-fojl tal-aluminju huwa ħafna aktar baxx mill-qawwa tar-rendiment tagħhom, li jindika li din id-deformazzjoni mhux se tikkawża deformazzjoni plastika. Il-kollettur tal-metall kurrenti jista 'jevita ħsara irriversibbli.
Il-Figura 2b turi d-distribuzzjoni tal-istress meta l-grad ta 'liwi jiżdied aktar, u l-istress tal-fojl tar-ram u l-fojl tal-aluminju huwa wkoll inqas mis-saħħa ta' rendiment korrispondenti tagħhom. Għalhekk, l-istruttura tista 'tiflaħ deformazzjoni li tiwi filwaqt li żżomm durabilità tajba. Minbarra d-deformazzjoni tal-liwi, is-sistema tista 'tikseb ċertu grad ta' distorsjoni (Figura 2c).
Għal batteriji b'unitajiet ċilindriċi, minħabba l-karatteristiċi inerenti taċ-ċirku, jista 'jikseb deformazzjoni aktar severa u kumplessa. Għalhekk, meta l-batterija tkun mitwija għal 180o (Figura 2d, e), imġebbda għal madwar 140% tat-tul oriġinali (Figura 2f), u mibruma għal 90o (Figura 2g), tista 'żżomm stabbiltà mekkanika. Barra minn hekk, meta tgħawwiġ + brim u deformazzjoni tal-istralċ huma applikati separatament, l-istruttura LIBs iddisinjata mhux se tikkawża deformazzjoni plastika irriversibbli tal-kollettur tal-metall kurrenti taħt diversi deformazzjonijiet severi u kumplessi.
Figura 2 (ac) Riżultati ta 'simulazzjoni ta' elementi finiti ta 'ċellula kwadra taħt liwi, tiwi, u brim; (di) Riżultati ta 'simulazzjoni ta' elementi finiti ta 'ċellula ċilindrika taħt liwi, tiwi, tiġbid, brim, liwi + brim u tkebbib.
3. Prestazzjoni elettrokimika ta 'LIBs flessibbli tal-unità tal-ħażna tal-enerġija kwadra
Biex tevalwa l-prestazzjoni elettrokimika tal-batterija flessibbli ddisinjata, LiCoO2 intuża bħala l-materjal tal-katodu biex tittestja l-kapaċità ta 'skarika u l-istabbiltà taċ-ċiklu. Kif muri fil-Figura 3a, il-kapaċità ta 'skarika tal-batterija b'ċelluli kwadri ma titnaqqasx b'mod sinifikanti wara li l-pjan jiġi deformat biex jitgħawweġ, ċurkett, mitwi, u mibrum f'ingrandiment 1 C, li jfisser li d-deformazzjoni mekkanika mhux se tikkawża d-disinn ta ' il-batterija flessibbli li tkun elettrokimikament Qtar Prestazzjoni. Anke wara liwi dinamiku (Figura 3c, d) u torsjoni dinamika (Figura 3e, f), u wara ċertu numru ta 'ċikli, il-pjattaforma tal-iċċarġjar u l-ħatt u l-prestazzjoni ta' ċiklu twil m'għandhom l-ebda tibdil apparenti, li jfisser li l-istruttura interna ta ' il-batterija hija protetta tajjeb.
Figura 3 (a) Test ta 'ċarġ u skariku ta' batterija ta 'unità kwadra taħt 1C; (b) Kurva ta' ċarġ u skariku taħt kundizzjonijiet differenti; (c, d) Taħt tgħawwiġ dinamiku, prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija u kurva korrispondenti ta 'ċarġ u skariku; (e, f) Taħt torsjoni dinamika, il-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija u l-kurva korrispondenti ta 'ċarġ-ħatt taħt ċikli differenti.
4. Prestazzjoni elettrokimika ta 'LIBs flessibbli tal-unità tal-ħażna tal-enerġija ċilindrika
Ir-riżultati tal-analiżi ta 'simulazzjoni juru li grazzi għall-karatteristiċi inerenti taċ-ċirku, il-LIBs flessibbli b'elementi ċilindriċi jistgħu jifilħu deformazzjonijiet aktar estremi u kumplessi. Għalhekk, biex tintwera l-prestazzjoni elettrokimika tal-LIBs flessibbli tal-unità ċilindrika, it-test sar b'rata ta '1 C, li wera li meta l-batterija tgħaddi minn diversi deformazzjonijiet, kważi m'hemm l-ebda bidla fil-prestazzjoni elettrokimika. Id-deformazzjoni mhux se tikkawża li l-kurva tal-vultaġġ tinbidel (Figura 4a, b).
Biex tevalwa aktar l-istabbiltà elettrokimika u d-durabilità mekkanika tal-batterija ċilindrika, issuġġettat il-batterija għal test tat-tagħbija dinamiku awtomatizzat b'rata ta '1 C. Ir-riċerka turi li wara tiġbid dinamiku (Figura 4c, d), torsjoni dinamika (Figura 4e, f) , u tgħawwiġ dinamiku + torsjoni (Figura 4g, h), il-prestazzjoni taċ-ċiklu ta 'ċarġ-discharge tal-batterija u l-kurva tal-vultaġġ korrispondenti mhumiex affettwati. Figura 4i turi l-prestazzjoni ta 'batterija b'unità ta' ħażna ta 'enerġija ikkulurita. Il-kapaċità ta 'skarika titmermir minn 133.3 mAm g-1 għal 129.9 mAh g-1, u t-telf ta' kapaċità għal kull ċiklu huwa biss 0.04%, li jindika li d-deformazzjoni mhux se taffettwa l-istabbiltà taċ-ċiklu u l-kapaċità ta 'skarika tagħha.
Figura 4 (a) Test taċ-ċiklu ta 'ċarġ u discharge ta' konfigurazzjonijiet differenti ta 'ċelloli ċilindriċi f'1 C; (b) Kurvi korrispondenti ta 'ċarġ u skariku tal-batterija taħt kundizzjonijiet differenti; (c, d) Il-prestazzjoni taċ-ċiklu u l-iċċarġjar tal-batterija taħt tensjoni dinamika Kurva tal-iskarigu; (e, f) il-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija taħt torsjoni dinamika u l-kurva korrispondenti ta 'ċarġ-ħatt taħt ċikli differenti; (g, h) il-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija taħt liwi dinamiku + torsjoni u l-kurva korrispondenti ta 'ċarġ-ħatt taħt ċikli differenti; (I) Test ta 'ċarġ u skariku ta' batteriji ta 'unità priżmatiċi b'konfigurazzjonijiet differenti f'1 C.
5. Applikazzjoni ta 'prodotti elettroniċi flessibbli u li jintlibsu
Biex tevalwa l-applikazzjoni tal-batterija flessibbli żviluppata fil-prattika, l-awtur juża batteriji sħaħ b'tipi differenti ta 'unitajiet ta' ħażna ta 'enerġija biex iħaddmu xi prodotti elettroniċi kummerċjali, bħal earphones, smartwatches, mini fannijiet elettriċi, strumenti kosmetiċi, u smart phones. It-tnejn huma biżżejjed għall-użu ta 'kuljum, jinkorporaw bis-sħiħ il-potenzjal ta' applikazzjoni ta 'diversi prodotti elettroniċi flessibbli u li jintlibsu.
Il-Figura 5 tapplika l-batterija ddisinjata għal earphones, smartwatches, mini fannijiet elettriċi, tagħmir kożmetiku, u smartphones. Il-batterija flessibbli tipprovdi enerġija għal (a) earphones, (b) smartwatches, u (c) mini fannijiet elettriċi; (d) jipprovdi enerġija għal tagħmir kożmetiku; (e) taħt kundizzjonijiet ta 'deformazzjoni differenti, il-batterija flessibbli tipprovdi enerġija għal smartphones.
Fil-qosor, dan l-artikolu huwa ispirat mill-istruttura tal-ġogi tal-bniedem. Tipproponi metodu ta 'disinn uniku għall-manifattura ta' batterija flessibbli b'densità għolja ta 'enerġija, deformabilità multipla, u durabilità. Meta mqabbel ma 'LIBs flessibbli tradizzjonali, dan id-disinn ġdid jista' jevita b'mod effettiv id-deformazzjoni tal-plastik tal-kollettur tal-metall attwali. Fl-istess ħin, l-uċuħ mgħawġa riżervati fiż-żewġt itruf tal-unità tal-ħażna tal-enerġija ddisinjati f'din id-dokument jistgħu jtaffu b'mod effettiv l-istress lokali tal-komponenti interkonnessi. Barra minn hekk, metodi ta 'tkebbib differenti jistgħu jibdlu l-forma tal-munzell, u jagħtu lill-batterija deformabilità suffiċjenti. Il-batterija flessibbli turi stabbiltà taċ-ċiklu eċċellenti u durabilità mekkanika grazzi għad-disinn ġdid u għandha prospetti estensivi ta 'applikazzjoni f'diversi prodotti elettroniċi flessibbli u li jintlibsu.
Disinn strutturali ispirat mill-ġonta tal-bniedem għal batterija li titgħawweġ / li tintewa / li tiġġebbed / titgħawweġ: il-kisba ta 'deformabilità multipla. (Enerġija Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
tweġiba fi żmien 6 sigħat, kwalunkwe mistoqsija hija milqugħa!
