Hong Kong CityU EES: гибкая литий-ионная батарея, вдохновленная человеческими суставами

Фон исследования

Растущий спрос на электронные продукты в последние годы способствовал быстрому развитию гибких устройств хранения данных с высокой плотностью энергии. Гибкие литий-ионные батареи (LIB) с высокой плотностью энергии и стабильными электрохимическими характеристиками считаются наиболее перспективной технологией аккумуляторов для носимых электронных устройств. Хотя использование тонкопленочных электродов и электродов на полимерной основе значительно повышает гибкость ЛИА, возникают следующие проблемы:

(1) Большинство гибких батарей укладываются по схеме «отрицательный электрод-разделитель-положительный электрод», а их ограниченная деформируемость и проскальзывание между многослойными пакетами ограничивают общую производительность ЛИА;

(2) В некоторых более тяжелых условиях, таких как складывание, растяжение, намотка и сложная деформация, производительность батареи не может быть гарантирована;

(3) Часть стратегии проектирования игнорирует деформацию текущего металлического коллектора.

Таким образом, одновременное достижение небольшого угла изгиба, нескольких режимов деформации, превосходной механической прочности и высокой плотности энергии по-прежнему сталкивается со многими проблемами.

Введение

Недавно профессор Чуньи Чжи и доктор Цуйпин Хань из Городского университета Гонконга опубликовали в Energy Environ статью под названием «Структурный дизайн, вдохновленный человеческими суставами, для сгибаемой/сгибаемой/растяжимой/скручиваемой батареи: достижение многократной деформации». науч. Эта работа была вдохновлена ​​​​структурой человеческих суставов и разработала своего рода гибкие LIB, похожие на систему суставов. Благодаря этой новой конструкции подготовленная гибкая батарея может достигать высокой плотности энергии и может изгибаться или даже складываться на 180°. В то же время структурная структура может быть изменена с помощью различных методов намотки, так что гибкие ЛИА обладают богатыми деформационными возможностями, могут быть применены к более тяжелым и сложным деформациям (намотка и скручивание) и даже могут растягиваться, а их деформационные возможности намного превосходит предыдущие отчеты о гибких LIB. Анализ методом конечных элементов подтвердил, что батарея, разработанная в этой статье, не будет подвергаться необратимой пластической деформации токосъемного металлического коллектора при различных резких и сложных деформациях. В то же время собранная квадратная батарея может достигать плотности энергии до 371.9 Втч/л, что составляет 92.9% от традиционной мягкой батареи. Кроме того, он может поддерживать стабильную производительность цикла даже после более чем 200,000 25,000 раз динамического изгиба и XNUMX XNUMX раз динамического искажения.

Дальнейшие исследования показывают, что собранная цилиндрическая элементарная ячейка может выдерживать более серьезные и сложные деформации. После более чем 100,000 20,000 динамических растяжений, 100,000 88 скручиваний и XNUMX XNUMX деформаций изгиба он по-прежнему может достигать высокой емкости, превышающей XNUMX% — степень удержания. Таким образом, гибкие ЛИА, предложенные в этой статье, открывают огромные перспективы для практического применения в носимой электронике.

Основные исследования

1) Гибкие LIB, вдохновленные человеческими суставами, могут поддерживать стабильную работу цикла при деформациях изгиба, скручивания, растяжения и намотки;

(2) С квадратным гибким аккумулятором он может достигать плотности энергии до 371.9 Втч / л, что составляет 92.9% от традиционного мягкого аккумулятора;

(3) Различные методы намотки могут изменить форму батарейного блока и придать батарее достаточную деформируемость.

Графическое руководство

Исследования показали, что, помимо обеспечения высокой объемной плотности энергии и более сложной деформации, конструкция конструкции должна также исключать пластическую деформацию токосъемника. Моделирование методом конечных элементов показывает, что наилучший метод токосъемника должен состоять в том, чтобы предотвратить малый радиус изгиба токосъемника во время процесса изгиба, чтобы избежать пластической деформации и необратимого повреждения токосъемника.

На рис. 1а показано строение суставов человека, в котором искусно увеличенная изогнутая поверхность помогает суставам плавно вращаться. Исходя из этого, на рис. 1b показан типичный графитовый анод/диафрагма/анод из кобальтата лития (LCO), который можно намотать в квадратную толстую структуру. На стыке он состоит из двух толстых жестких пакетов и гибкой части. Что еще более важно, толстый пакет имеет изогнутую поверхность, эквивалентную покрытию суставной кости, что помогает амортизировать давление и обеспечивает основную емкость гибкой батареи. Эластичная часть действует как связка, соединяя толстые стопки и обеспечивая гибкость (рис. 1с). Помимо намотки в квадратную стопку, батареи с цилиндрическими или треугольными ячейками могут изготавливаться также путем изменения способа намотки (рис. 1г). Для гибких ЛИА с квадратными накопителями энергии соединенные между собой сегменты будут катиться по дугообразной поверхности толстого пакета в процессе изгиба (рис. 1д), тем самым значительно увеличивая плотность энергии гибкой батареи. Кроме того, благодаря инкапсуляции эластичного полимера гибкие ЛИА с цилиндрическими элементами могут приобретать свойства растяжения и гибкости (рис. 1f).

Рис. 1 (а) Конструкция уникального соединения связок и изогнутой поверхности имеет важное значение для достижения гибкости; b) схематическая диаграмма конструкции гибкой батареи и производственного процесса; (c) кость соответствует более толстому электродному пакету, а связка соответствует развернутому (D) Гибкая структура батареи с цилиндрическими и треугольными ячейками; e) схематическая диаграмма укладки квадратных ячеек; (f) Деформация растяжением цилиндрических ячеек.

Дальнейшее использование анализа механического моделирования подтвердило стабильность гибкой конструкции батареи. На рис. 2а показано распределение напряжений в медной и алюминиевой фольге при сгибании в цилиндр (180° радиан). Результаты показывают, что напряжение медной и алюминиевой фольги намного ниже их предела текучести, что указывает на то, что эта деформация не вызовет пластической деформации. Текущий металлический коллектор может избежать необратимого повреждения.

На рис. 2b показано распределение напряжения при дальнейшем увеличении степени изгиба, причем напряжение медной фольги и алюминиевой фольги также меньше их соответствующего предела текучести. Поэтому конструкция выдерживает деформацию при складывании, сохраняя при этом хорошую прочность. Помимо деформации изгиба, система может достигать определенной степени деформации (рис. 2в).

Для батарей с цилиндрическими блоками из-за присущих кругу характеристик можно добиться более сильной и сложной деформации. Таким образом, когда батарея сложена на 180° (рис. 2d, e), растянута примерно до 140% исходной длины (рис. 2f) и скручена на 90° (рис. 2g), она может сохранять механическую стабильность. Кроме того, при раздельном применении деформации изгиба + скручивания и намотки разработанная конструкция ЛИА не вызовет необратимой пластической деформации токосъемника при различных тяжелых и сложных деформациях.

Рисунок 2 (ac) Результаты моделирования методом конечных элементов квадратной ячейки при изгибе, складывании и скручивании; (di) Результаты конечно-элементного моделирования цилиндрической ячейки при изгибе, складывании, растяжении, скручивании, изгибе + скручивании и скручивании.

Для оценки электрохимических характеристик разработанной гибкой батареи в качестве материала катода был использован LiCoO2 для проверки разрядной емкости и циклической стабильности. Как показано на рис. 3а, разрядная емкость батареи с квадратными ячейками существенно не снижается после того, как плоскость деформируется на изгиб, кольцо, сгибание и скручивание при увеличении в 1 С, а это означает, что механическая деформация не повлияет на конструкцию гибкая батарея должна быть электрохимически производительность падает. Даже после динамического изгиба (рис. 3в, г) и динамического кручения (рис. 3д, е), а также после определенного количества циклов зарядно-разгрузочная площадка и долгоцикловые характеристики не имеют видимых изменений, а это означает, что внутренняя структура батарея хорошо защищена.

Рисунок 3 (a) Испытание заряда и разряда квадратной батареи в соответствии с 1C; (б) Кривая заряда и разряда при различных условиях; (c, d) При динамическом изгибе, цикл работы батареи и соответствующая кривая заряда и разряда; (e, f) При динамическом кручении цикличность аккумулятора и соответствующая кривая заряда-разряда при разных циклах.

Результаты анализа моделирования показывают, что благодаря присущим кругу характеристикам гибкие ЛИА с цилиндрическими элементами могут выдерживать более экстремальные и сложные деформации. Поэтому для демонстрации электрохимических характеристик гибких ЛИА цилиндрического блока было проведено испытание со скоростью 1 Кл, которое показало, что при различных деформациях батареи практически не происходит изменения электрохимических характеристик. Деформация не приведет к изменению кривой напряжения (рис. 4а, б).

Чтобы дополнительно оценить электрохимическую стабильность и механическую долговечность цилиндрической батареи, она подверглась испытанию на динамическую автоматическую нагрузку со скоростью 1 C. Исследования показывают, что после динамического растяжения (рис. 4c, d) динамического кручения (рис. 4e, f) , и динамический изгиб + кручение (рис. 4g, h), производительность цикла заряда-разряда батареи и соответствующая кривая напряжения не затрагиваются. На рис. 4i показаны характеристики батареи с красочным накопителем энергии. Разрядная емкость снижается с 133.3 мАм·г-1 до 129.9 мА·ч·г-1, а потеря емкости за цикл составляет всего 0.04%, что указывает на то, что деформация не повлияет на его цикловую стабильность и разрядную емкость.

Рисунок 4 (а) Испытание цикла зарядки и разрядки различных конфигураций цилиндрических элементов при 1 C; (b) Соответствующие кривые заряда и разряда батареи при различных условиях; (в, г) Цикличность и заряд батареи при динамическом напряжении Кривая разряда; (д, е) цикличность батареи при динамическом кручении и соответствующая кривая заряда-разряда при различных циклах; (g, h) цикловая производительность батареи при динамическом изгибе + кручении и соответствующая кривая заряда-разряда при различных циклах; (I) Испытание на зарядку и разрядку призматических аккумуляторных батарей различной конфигурации при температуре 1 °С.

Чтобы оценить применение разработанной гибкой батареи на практике, автор использует полные батареи с различными типами накопителей энергии для питания некоторых коммерческих электронных продуктов, таких как наушники, умные часы, мини-электровентиляторы, косметические инструменты и смартфоны. И того, и другого достаточно для повседневного использования, они полностью воплощают в себе прикладной потенциал различных гибких и носимых электронных изделий.

На рис. 5 разработанная батарея применяется к наушникам, смарт-часам, мини-вентиляторам, косметическому оборудованию и смартфонам. Гибкая батарея обеспечивает питание для (а) наушников, (б) смарт-часов и (в) мини-вентиляторов; (d) подает питание для косметического оборудования; (e) в различных условиях деформации гибкая батарея обеспечивает питание для смартфонов.

Резюме и перспективы

Таким образом, эта статья вдохновлена ​​​​структурой человеческих суставов. Он предлагает уникальный метод проектирования для изготовления гибкой батареи с высокой плотностью энергии, многократной деформируемостью и долговечностью. По сравнению с традиционными гибкими литий-ионными аккумуляторами эта новая конструкция позволяет эффективно избежать пластической деформации существующего металлического коллектора. В то же время изогнутые поверхности, зарезервированные на обоих концах накопителя энергии, разработанного в этой статье, могут эффективно снимать локальные напряжения взаимосвязанных компонентов. Кроме того, различные способы намотки могут изменить форму стопки, придав аккумулятору достаточную деформируемость. Гибкая батарея демонстрирует превосходную циклическую стабильность и механическую прочность благодаря новой конструкции и имеет широкие перспективы применения в различных гибких и носимых электронных продуктах.

Ссылка на литературу

Конструктивный дизайн, вдохновленный человеческими суставами, для гибкой/складной/растяжимой/скручиваемой батареи: достижение многократной деформации. (Энергия окружающей среды. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)