Hong Kong CityU EES: Flexible nga lithium-ion nga baterya nga giinspirar sa mga lutahan sa tawo

Kaagi sa Panukiduki

Ang nagkadako nga panginahanglan alang sa mga produktong elektroniko nagpasiugda sa paspas nga pag-uswag sa mga flexible ug high-energy-density storage device sa bag-ohay nga mga tuig. Flexible nga lithium ion nga mga baterya (LIBs) nga adunay taas nga densidad sa enerhiya ug stable nga electrochemical performance gikonsiderar nga labing gisaad nga teknolohiya sa baterya alang sa masul-ob nga mga produkto sa elektroniko. Bisan kung ang paggamit sa manipis nga pelikula nga mga electrodes ug polymer-based nga mga electrodes mahinuklugong nagpauswag sa pagka-flexible sa LIBs, adunay mga mosunod nga mga problema:

(1) Kadaghanan sa flexible nga mga baterya gipatong sa "negative electrode-separator-positive electrode," ug ang ilang limitado nga deformability ug slippage tali sa multilayer stacks nagpugong sa kinatibuk-ang performance sa LIBs;

(2) Ubos sa pipila ka mas grabe nga mga kondisyon, sama sa pagpilo, pag-inat, paglikos, ug komplikado nga deformation, dili kini makagarantiya sa performance sa baterya;

(3) Bahin sa estratehiya sa disenyo wala magtagad sa deformation sa kasamtangang metal collector.

Busa, dungan nga pagkab-ot sa iyang gamay nga bending anggulo, multiple deformation modes, labaw nga mekanikal nga durability, ug taas nga enerhiya Densidad sa gihapon nag-atubang sa daghang mga hagit.

Pasiuna

Bag-ohay lang, si Propesor Chunyi Zhi ug Dr. Cuiping Han sa City University of Hong Kong nagpatik sa usa ka papel nga nag-ulohang "Human joint inspired structural design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability" sa Energy Environ. Ang Sci. Kini nga buhat giinspirar sa istruktura sa mga lutahan sa tawo ug nagdesinyo sa usa ka matang sa flexible LIB nga susama sa joint system. Pinasukad sa kini nga nobela nga disenyo, ang andam, flexible nga baterya mahimo’g makab-ot ang taas nga density sa enerhiya ug mabawog o mapilo pa sa 180 °. Sa parehas nga oras, ang istruktura nga istruktura mahimong mabag-o pinaagi sa lainlaing mga pamaagi sa pag-winding aron ang mga flexible LIB adunay daghang mga kapabilidad sa deformation, mahimong magamit sa labi ka grabe ug komplikado nga mga deformation (winding ug twisting), ug mahimo pa nga ma-inat, ug ang ilang mga kapabilidad sa deformation labaw pa sa nangaging mga taho sa flexible LIBs. Ang pag-analisar sa simulation sa katapusan nga elemento nagpamatuod nga ang baterya nga gidisenyo niini nga papel dili moagi sa dili mabalik nga plastic deformation sa kasamtangan nga metal collector ubos sa nagkalain-laing mapintas ug komplikado nga mga deformation. Sa parehas nga oras, ang gitapok nga square unit nga baterya mahimo’g makab-ot ang densidad sa enerhiya hangtod sa 371.9 Wh/L, nga 92.9% sa tradisyonal nga soft pack nga baterya. Dugang pa, kini makamintinar sa lig-on nga cycle performance bisan human sa labaw pa kay sa 200,000 ka beses sa dinamikong bending ug 25,000 ka beses sa dinamikong pagtuis.

Ang dugang nga panukiduki nagpakita nga ang gitapok nga cylindrical unit cell makasugakod sa mas grabe ug komplikado nga mga deformation. Human sa labaw pa sa 100,000 ka dinamikong pag-inat, 20,000 ka twist, ug 100,000 ka deformation sa bending, mahimo gihapon kining makab-ot ang taas nga kapasidad nga labaw sa 88%—retention rate. Busa, ang flexible LIBs nga gisugyot niini nga papel naghatag ug dako nga palaaboton alang sa praktikal nga mga aplikasyon sa wearable electronics.

Mga highlight sa panukiduki

1) Flexible LIBs, nga giinspirar sa mga lutahan sa tawo, makapadayon sa lig-on nga cycle performance ubos sa bending, twisting, stretching, ug winding deformations;

(2) Uban sa usa ka square flexible nga baterya, mahimo’g makab-ot ang density sa enerhiya hangtod sa 371.9 Wh/L, nga 92.9% sa tradisyonal nga soft-pack nga baterya;

(3) Ang lain-laing mga pamaagi sa winding makausab sa porma sa battery stack ug makahatag sa baterya og igong deformability.

Giya sa graphic

Gipakita sa panukiduki nga, dugang sa pagsiguro sa taas nga gidaghanon sa enerhiya nga densidad ug mas komplikado nga deformation, ang disenyo sa estruktura kinahanglan usab nga maglikay sa plastic deformation sa kasamtangang kolektor. Ang finite element simulation nagpakita nga ang pinakamaayong paagi sa kasamtangang collector mao ang pagpugong sa kasamtangang collector nga adunay gamay nga bending radius atol sa bending process aron malikayan ang plastic deformation ug dili mabalik nga kadaot sa kasamtangang collector.

Gipakita sa Figure 1a ang istruktura sa mga lutahan sa tawo, diin ang labi ka labi ka dako nga curved surface nga disenyo makatabang sa mga lutahan nga hapsay nga magtuyok. Pinasukad niini, ang Figure 1b nagpakita sa usa ka tipikal nga graphite anode/diaphragm/lithium cobaltate (LCO) anode, nga mahimong samad sa usa ka square nga baga nga stack structure. Sa junction, kini naglangkob sa duha ka baga nga rigid stack ug usa ka flexible nga bahin. Labaw ka importante, ang baga nga stack adunay curved surface nga katumbas sa joint bone cover, nga makatabang sa buffer pressure ug naghatag sa nag-unang kapasidad sa flexible nga baterya. Ang pagkamaunat-unat nga bahin naglihok isip usa ka ligament, nagkonektar sa baga nga mga stack ug naghatag og pagka-flexible (Figure 1c). Gawas pa sa pagpaliko sa usa ka square pile, ang mga baterya nga adunay cylindrical o triangular nga mga selyula mahimo usab nga mahimo pinaagi sa pagbag-o sa pamaagi sa pagpaliko (Figure 1d). Para sa flexible LIBs nga adunay square energy storage units, ang mga interconnected nga mga segment moligid subay sa arc-shaped surface sa baga nga stack atol sa bending process (Figure 1e), sa ingon madugangan ang energy density sa flexible battery. Dugang pa, pinaagi sa pagkamaunat-unat nga polymer encapsulation, ang mga flexible LIB nga adunay cylindrical nga mga yunit mahimong makab-ot ang stretchable ug flexible nga mga kabtangan (Figure 1f).

Figure 1 (a) Ang disenyo sa talagsaon nga koneksyon sa ligament ug curved surface gikinahanglan aron makab-ot ang pagka-flexible; (b) Schematic diagram sa flexible nga istruktura sa baterya ug proseso sa paggama; (c) bukog katumbas sa mas baga nga electrode stack, ug ligament katugbang sa unrolled (D) Flexible battery nga gambalay uban sa cylindrical ug triangular nga mga selula; (e) Stacking schematic diagram sa square cells; (f) Pag-inat sa deformasyon sa mga cylindrical nga mga selula.

Ang dugang nga paggamit sa mekanikal nga simulation analysis nagpamatuod sa kalig-on sa flexible nga istruktura sa baterya. Ang Figure 2a nagpakita sa stress distribution sa copper ug aluminum foil kung gibawog ngadto sa cylinder (180° radian). Ang mga resulta nagpakita nga ang kapit-os sa tumbaga ug aluminum foil mao ang mas ubos pa kay sa ilang ani kusog, nga nagpakita nga kini nga deformation dili hinungdan sa plastic deformation. Ang kasamtangan nga metal collector makalikay sa dili mabalik nga kadaot.

Gipakita sa Figure 2b ang pag-apod-apod sa stress kung ang lebel sa bending dugang nga nadugangan, ug ang kapit-os sa tumbaga nga foil ug aluminum foil mas ubos usab sa ilang katumbas nga kusog sa ani. Busa, ang istruktura makasugakod sa pagpilo nga deformasyon samtang nagpadayon sa maayo nga kalig-on. Dugang pa sa bending deformation, ang sistema makab-ot ang usa ka matang sa pagtuis (Figure 2c).

Alang sa mga baterya nga adunay cylindrical nga mga yunit, tungod sa kinaiyanhon nga mga kinaiya sa lingin, mahimo’g makab-ot ang labi ka grabe ug komplikado nga deformation. Busa, sa diha nga ang baterya gipilo ngadto sa 180o (Figure 2d, e), gituy-od ngadto sa mga 140% sa orihinal nga gitas-on (Figure 2f), ug gituis ngadto sa 90o (Figure 2g), kini makapadayon sa mekanikal nga kalig-on. Dugang pa, sa diha nga ang bending + twisting ug winding deformation gigamit nga gilain, ang gidisenyo nga LIBs nga istruktura dili hinungdan sa dili mabalik nga plastic deformation sa kasamtangan nga metal collector ubos sa nagkalain-laing grabe ug komplikado nga mga deformation.

Figure 2 (ac) Katapusan nga elemento simulation resulta sa usa ka square cell ubos sa bending, folding, ug twisting; (di) Katapusan nga elemento simulation resulta sa usa ka cylindrical cell ubos sa bending, folding, stretching, twisting, bending + twisting ug winding.

Aron masusi ang electrochemical performance sa gidisenyo nga flexible battery, ang LiCoO2 gigamit isip cathode material aron sulayan ang discharge capacity ug cycle stability. Sama sa gipakita sa Figure 3a, ang kapasidad sa pag-discharge sa baterya nga adunay mga square nga mga selula dili kaayo makunhuran human ang eroplano mabag-o sa pagduko, pag-ring, pagpilo, ug pagtuis sa 1 C magnification, nga nagpasabot nga ang mekanikal nga deformation dili hinungdan sa disenyo sa ang flexible nga baterya nga mahimong electrochemically Pag-ubos sa performance. Bisan human sa dinamikong bending (Figure 3c, d) ug dinamikong torsion (Figure 3e, f), ug human sa usa ka piho nga gidaghanon sa mga siklo, ang pag-charge ug discharging nga plataporma ug ang taas nga siklo nga performance walay dayag nga mga kausaban, nga nagpasabot nga ang internal nga istruktura sa ang baterya maayo nga gipanalipdan.

Figure 3 (a) Charge ug discharge test sa square unit battery ubos sa 1C; (b) Charge ug discharge curve ubos sa lain-laing mga kondisyon; (c, d) Ubos sa dinamikong bending, performance sa siklo sa baterya ug katugbang nga karga ug discharge curve; (e, f) Ubos sa dinamikong torsion, ang cycle performance sa baterya ug ang katugbang nga charge-discharge curve ubos sa lain-laing mga cycle.

Ang mga resulta sa pag-analisa sa simulation nagpakita nga salamat sa kinaiyanhon nga mga kinaiya sa lingin, ang flexible LIBs nga adunay cylindrical nga mga elemento makasugakod sa mas grabe ug komplikado nga mga deformasyon. Busa, aron ipakita ang electrochemical performance sa flexible LIBs sa cylindrical unit, ang pagsulay gihimo sa gikusgon nga 1 C, nga nagpakita nga kung ang baterya moagi sa nagkalain-laing mga deformation, halos walay pagbag-o sa electrochemical performance. Ang deformation dili makapausab sa boltahe curve (Figure 4a, b).

Aron sa dugang pagtimbang-timbang sa cylindrical battery electrochemical kalig-on ug mekanikal nga kalig-on, kini gipailalom sa battery sa usa ka dinamikong automated load test sa usa ka rate sa 1 C. Research nagpakita nga human sa dinamikong stretching (Figure 4c, d), dinamikong torsion (Figure 4e, f) , ug dinamikong bending + torsion (Figure 4g, h), ang battery charge-discharge cycle performance ug ang katugbang nga boltahe nga kurba wala maapektuhan. Ang Figure 4i nagpakita sa pasundayag sa usa ka baterya nga adunay usa ka mabulukon nga yunit sa pagtipig sa enerhiya. Ang kapasidad sa discharge decays gikan sa 133.3 mAm g-1 ngadto sa 129.9 mAh g-1, ug ang pagkawala sa kapasidad kada siklo mao lamang ang 0.04%, nga nagpakita nga ang deformation dili makaapekto sa iyang cycle stability ug discharge capacity.

Figure 4 (a) Charge ug discharge cycle test sa lain-laing mga configuration sa cylindrical cells sa 1 C; (b) Katugbang nga charge ug discharge curves sa baterya ubos sa lain-laing kondisyon; (c, d) Cycle performance ug charge sa battery ubos sa dynamic tension Discharge curve; (e, f) ang cycle performance sa baterya ubos sa dinamikong torsion ug ang katugbang nga charge-discharge curve ubos sa lain-laing mga cycle; (g, h) ang cycle performance sa baterya ubos sa dinamikong bending + torsion ug ang katugbang nga charge-discharge curve ubos sa lain-laing mga cycle; (I) Pag-charge ug pagdiskarga sa pagsulay sa prismatic unit nga mga baterya nga adunay lain-laing mga configuration sa 1 C.

Aron masusi ang aplikasyon sa naugmad nga flexible nga baterya sa praktis, gigamit sa tagsulat ang mga bug-os nga baterya nga adunay lainlaing mga lahi sa mga yunit sa pagtipig sa enerhiya aron magamit ang pipila nga komersyal nga mga produkto sa elektroniko, sama sa mga earphone, smartwatches, mini electric fan, mga instrumento sa kosmetiko, ug mga smart phone. Ang duha igo na alang sa adlaw-adlaw nga paggamit, hingpit nga naglangkob sa potensyal sa aplikasyon sa lainlaing nabag-o ug masul-ob nga mga produkto sa elektroniko.

Ang Figure 5 nag-aplay sa gidisenyo nga baterya sa mga earphone, smartwatches, mini electric fan, cosmetic equipment, ug smartphones. Ang flexible nga baterya naghatag gahum alang sa (a) earphones, (b) smartwatches, ug (c) mini electric fan; (d) nagsuplay og gahum alang sa mga kagamitan sa kosmetiko; (e) ubos sa lain-laing mga kahimtang sa deformation, ang flexible nga baterya naghatag gahum alang sa mga smartphones.

Sumaryo ug panan-aw

Sa katingbanan, kini nga artikulo dinasig sa istruktura sa mga lutahan sa tawo. Gisugyot niini ang usa ka talagsaon nga pamaagi sa disenyo alang sa paghimo sa usa ka flexible nga baterya nga adunay taas nga density sa enerhiya, daghang pagkabag-o, ug kalig-on. Kung itandi sa tradisyonal nga flexible LIBs, kini nga bag-ong disenyo epektibo nga makalikay sa plastic deformation sa kasamtangang metal collector. Sa samang higayon, ang mga curved surface nga gitagana sa duha ka tumoy sa energy storage unit nga gidisenyo niini nga papel epektibong makapahupay sa lokal nga stress sa mga interconnected nga sangkap. Dugang pa, ang lain-laing mga pamaagi sa winding makausab sa porma sa stack, nga naghatag sa baterya og igong deformability. Ang flexible nga baterya nagpakita sa maayo kaayo nga cycle nga kalig-on ug mekanikal nga kalig-on salamat sa nobela nga disenyo ug adunay daghang mga prospect sa aplikasyon sa nagkalain-laing flexible ug wearable electronic nga mga produkto.

Literatura link

Human joint-inspired structural design para sa bendable/foldable/stretchable/twistable nga baterya: pagkab-ot sa multiple deformability. (Kalibutan sa Enerhiya. Ang Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)