Hong Kong CityU EES: Fleksibelt litium-ion-batteri inspirert av menneskelige ledd

Forskningsbakgrunn

Den økende etterspørselen etter elektroniske produkter har fremmet den raske utviklingen av fleksible lagringsenheter med høy energitetthet de siste årene. Fleksible litiumion-batterier (LIBs) med høy energitetthet og stabil elektrokjemisk ytelse regnes som den mest lovende batteriteknologien for bærbare elektroniske produkter. Selv om bruken av tynnfilmselektroder og polymerbaserte elektroder dramatisk forbedrer fleksibiliteten til LIB-er, er det følgende problemer:

(1) De fleste fleksible batterier er stablet av "negativ elektrode-separator-positiv elektrode," og deres begrensede deformerbarhet og glidning mellom flerlagsstabler begrenser den generelle ytelsen til LIBer;

(2) Under noen mer alvorlige forhold, som folding, strekking, vikling og kompleks deformasjon, kan det ikke garantere batteriytelse;

(3) En del av designstrategien ignorerer deformasjonen av den nåværende metallsamleren.

Derfor er det fortsatt mange utfordringer å oppnå dens lette bøyevinkel, flere deformasjonsmoduser, overlegen mekanisk holdbarhet og høy energitetthet samtidig.

Introduksjon

Nylig publiserte professor Chunyi Zhi og Dr. Cuiping Han ved City University of Hong Kong en artikkel med tittelen "Human joint inspired structural design for bøyable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability" på Energy Environ. Sci. Dette arbeidet var inspirert av strukturen til menneskelige ledd og designet en slags fleksible LIB-er som ligner på leddsystemet. Basert på denne nye designen kan det forberedte, fleksible batteriet oppnå høy energitetthet og bøyes eller til og med brettes i 180°. Samtidig kan den strukturelle strukturen endres gjennom forskjellige viklingsmetoder slik at fleksible LIB-er har rike deformasjonsevner, kan brukes på mer alvorlige og komplekse deformasjoner (vikling og vridning), og kan til og med strekkes, og deres deformasjonsevner er langt utover tidligere rapporter om fleksible LIBer. Finite element simuleringsanalyse bekreftet at batteriet designet i denne artikkelen ikke ville gjennomgå irreversibel plastisk deformasjon av den nåværende metallsamleren under forskjellige harde og komplekse deformasjoner. Samtidig kan det sammensatte firkantede enhetsbatteriet oppnå en energitetthet på opptil 371.9 Wh/L, som er 92.9 % av det tradisjonelle softpack-batteriet. I tillegg kan den opprettholde stabil syklusytelse selv etter mer enn 200,000 25,000 ganger dynamisk bøyning og XNUMX XNUMX ganger dynamisk forvrengning.

Videre forskning viser at den sammensatte sylindriske enhetscellen tåler mer alvorlige og komplekse deformasjoner. Etter mer enn 100,000 20,000 dynamiske strekkinger, 100,000 88 vridninger og XNUMX XNUMX bøyedeformasjoner, kan den fortsatt oppnå en høy kapasitet på mer enn XNUMX %—retensjonsgrad. Derfor gir de fleksible LIB-ene som er foreslått i denne artikkelen et enormt perspektiv for praktiske anvendelser i bærbar elektronikk.

Forskning høydepunkter

1) Fleksible LIBer, inspirert av menneskelige ledd, kan opprettholde stabil syklusytelse under bøying, vridning, strekking og viklingsdeformasjoner;

(2) Med et firkantet fleksibelt batteri kan det oppnå en energitetthet på opptil 371.9 Wh/L, som er 92.9 % av det tradisjonelle soft-pack-batteriet;

(3) Ulike viklingsmetoder kan endre formen på batteristabelen og gi batteriet tilstrekkelig deformerbarhet.

Grafisk guide

Forskning har vist at i tillegg til å sikre høy volumenergitetthet og mer kompleks deformasjon, må den strukturelle utformingen også unngå plastisk deformasjon av strømkollektoren. Finite element-simuleringen viser at den beste metoden til strømkollektoren bør være å forhindre at strømkollektoren har en liten bøyeradius under bøyeprosessen for å unngå plastisk deformasjon og irreversibel skade på strømkollektoren.

Figur 1a viser strukturen til de menneskelige leddene, der den smarte større buede overflatedesignen hjelper leddene til å rotere jevnt. Basert på dette viser figur 1b en typisk grafittanode/membran/litiumkoboltat (LCO) anode, som kan vikles inn i en kvadratisk tykk stabelstruktur. I krysset består den av to tykke stive stabler og en fleksibel del. Enda viktigere er at den tykke stabelen har en buet overflate som tilsvarer leddbeindekselet, noe som hjelper til med buffertrykk og gir den primære kapasiteten til det fleksible batteriet. Den elastiske delen fungerer som et leddbånd, forbinder tykke stabler og gir fleksibilitet (Figur 1c). I tillegg til vikling til en firkantet haug, kan batterier med sylindriske eller trekantede celler også produseres ved å endre viklingsmetoden (Figur 1d). For fleksible LIBer med kvadratiske energilagringsenheter vil de sammenkoblede segmentene rulle langs den bueformede overflaten av den tykke stabelen under bøyeprosessen (Figur 1e), og dermed øke energitettheten til det fleksible batteriet betydelig. I tillegg, gjennom elastisk polymerinnkapsling, kan fleksible LIBer med sylindriske enheter oppnå strekkbare og fleksible egenskaper (Figur 1f).

Figur 1 (a) Utformingen av unik ligamentforbindelse og buet overflate er avgjørende for å oppnå fleksibilitet; (b) Skjematisk diagram av fleksibel batteristruktur og produksjonsprosess; (c) bein tilsvarer tykkere elektrodestabel, og ligament tilsvarer utrullet (D) Fleksibel batteristruktur med sylindriske og trekantede celler; (e) Skjematisk stabling av kvadratiske celler; (f) Strekkdeformasjon av sylindriske celler.

Videre bruk av mekanisk simuleringsanalyse bekreftet stabiliteten til den fleksible batteristrukturen. Figur 2a viser spenningsfordelingen til kobber- og aluminiumsfolie når den er bøyd inn i en sylinder (180° radian). Resultatene viser at spenningen til kobber- og aluminiumsfolie er mye lavere enn deres flytegrense, noe som indikerer at denne deformasjonen ikke vil forårsake plastisk deformasjon. Den nåværende metallsamleren kan unngå irreversible skader.

Figur 2b viser spenningsfordelingen når bøyegraden økes ytterligere, og spenningen til kobberfolie og aluminiumsfolie er også mindre enn deres tilsvarende flytegrense. Derfor tåler strukturen brettedeformasjon samtidig som den opprettholder god holdbarhet. I tillegg til bøyedeformasjon kan systemet oppnå en viss grad av forvrengning (Figur 2c).

For batterier med sylindriske enheter, på grunn av de iboende egenskapene til sirkelen, kan den oppnå mer alvorlig og kompleks deformasjon. Derfor, når batteriet er brettet til 180o (Figur 2d, e), strukket til omtrent 140 % av den opprinnelige lengden (Figur 2f), og vridd til 90o (Figur 2g), kan det opprettholde mekanisk stabilitet. I tillegg, når bøying + vridning og viklingsdeformasjon påføres separat, vil den utformede LIB-strukturen ikke forårsake irreversibel plastisk deformasjon av den nåværende metallsamleren under forskjellige alvorlige og komplekse deformasjoner.

Figur 2 (ac) Finite element simuleringsresultater av en firkantet celle under bøying, folding og vridning; (di) Finite element-simuleringsresultater av en sylindrisk celle under bøying, folding, strekking, vridning, bøyning + vridning og vikling.

For å evaluere den elektrokjemiske ytelsen til det utformede fleksible batteriet, ble LiCoO2 brukt som katodemateriale for å teste utladningskapasiteten og syklusstabiliteten. Som vist i figur 3a, reduseres ikke utladningskapasiteten til batteriet med firkantede celler vesentlig etter at planet er deformert til å bøye, ringe, brette og vridd ved 1 C forstørrelse, noe som betyr at den mekaniske deformasjonen ikke vil forårsake utforming av det fleksible batteriet skal være elektrokjemisk Ytelsen synker. Selv etter dynamisk bøyning (figur 3c, d) og dynamisk torsjon (figur 3e, f), og etter et visst antall sykluser, har lade- og utladningsplattformen og langsyklusytelsen ingen tilsynelatende endringer, noe som betyr at den interne strukturen til batteriet er godt beskyttet.

Figur 3 (a) Lade- og utladingstest av firkantbatteri under 1C; (b) Ladnings- og utladningskurve under forskjellige forhold; (c, d) Under dynamisk bøyning, batterisyklusytelse og tilsvarende lade- og utladningskurve; (e, f) Under dynamisk torsjon, syklusytelsen til batteriet og den tilsvarende lade-utladningskurven under forskjellige sykluser.

Simuleringsanalyseresultatene viser at takket være de iboende egenskapene til sirkelen, kan de fleksible LIB-ene med sylindriske elementer tåle mer ekstreme og komplekse deformasjoner. Derfor, for å demonstrere den elektrokjemiske ytelsen til de fleksible LIBene til den sylindriske enheten, ble testen utført med en hastighet på 1 C, som viste at når batteriet gjennomgår forskjellige deformasjoner, er det nesten ingen endring i den elektrokjemiske ytelsen. Deformasjonen vil ikke føre til at spenningskurven endres (Figur 4a, b).

For ytterligere å evaluere det sylindriske batteriets elektrokjemiske stabilitet og mekaniske holdbarhet, utsatte det batteriet for en dynamisk automatisert belastningstest med en hastighet på 1 C. Forskning viser at etter dynamisk strekking (Figur 4c, d), dynamisk torsjon (Figur 4e, f) , og dynamisk bøyning + torsjon (Figur 4g, h), ytelsen til batteriets lade-utladningssyklus og den tilsvarende spenningskurven påvirkes ikke. Figur 4i viser ytelsen til et batteri med en fargerik energilagringsenhet. Utladningskapasiteten avtar fra 133.3 mAm g-1 til 129.9 mAh g-1, og kapasitetstapet per syklus er bare 0.04 %, noe som indikerer at deformasjon ikke vil påvirke dens syklusstabilitet og utladningskapasitet.

Figur 4 (a) Lade- og utladningssyklustest av forskjellige konfigurasjoner av sylindriske celler ved 1 C; (b) Tilsvarende lade- og utladningskurver for batteriet under forskjellige forhold; (c, d) Syklusytelse og ladning av batteriet under dynamisk spenning Utladningskurve; (e, f) syklusytelsen til batteriet under dynamisk torsjon og den tilsvarende ladning-utladningskurven under forskjellige sykluser; (g, h) syklusytelsen til batteriet under dynamisk bøyning + torsjon og den tilsvarende ladnings-utladningskurven under forskjellige sykluser; (I) Lade- og utladingstest av prismatiske enhetsbatterier med forskjellige konfigurasjoner ved 1 C.

For å evaluere bruken av det utviklede fleksible batteriet i praksis, bruker forfatteren fulle batterier med forskjellige typer energilagringsenheter for å drive noen kommersielle elektroniske produkter, som øretelefoner, smartklokker, mini elektriske vifter, kosmetiske instrumenter og smarttelefoner. Begge er tilstrekkelige for daglig bruk, og uttrykker fullt ut brukspotensialet til ulike fleksible og bærbare elektroniske produkter.

Figur 5 bruker det utformede batteriet til øretelefoner, smartklokker, mini elektriske vifter, kosmetisk utstyr og smarttelefoner. Det fleksible batteriet leverer strøm til (a) øretelefoner, (b) smartklokker og (c) elektriske minivifter; (d) leverer strøm til kosmetisk utstyr; (e) under forskjellige deformasjonsforhold leverer det fleksible batteriet strøm til smarttelefoner.

Oppsummering og utsikter

Oppsummert er denne artikkelen inspirert av strukturen til menneskelige ledd. Den foreslår en unik designmetode for å produsere et fleksibelt batteri med høy energitetthet, multippel deformerbarhet og holdbarhet. Sammenlignet med tradisjonelle fleksible LIB-er, kan denne nye designen effektivt unngå plastisk deformasjon av den nåværende metallsamleren. Samtidig kan de buede overflatene som er reservert i begge ender av energilagringsenheten designet i denne artikkelen effektivt avlaste den lokale spenningen til de sammenkoblede komponentene. I tillegg kan forskjellige viklingsmetoder endre formen på stabelen, noe som gir batteriet tilstrekkelig deformerbarhet. Det fleksible batteriet viser utmerket syklusstabilitet og mekanisk holdbarhet takket være den nye designen og har omfattende bruksmuligheter i ulike fleksible og bærbare elektroniske produkter.

Litteraturlenke

Menneskelig ledd-inspirert strukturell design for bøybart/foldbart/strekkbart/vridbart batteri: oppnår flere deformerbarheter. (Energimiljø. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)