Hong Kong CityU EES: Fleksibelt lithium-ion-batteri inspireret af menneskelige led

Forskningsbaggrund

Den stigende efterspørgsel efter elektroniske produkter har fremmet den hurtige udvikling af fleksible lagringsenheder med høj energitæthed i de seneste år. Fleksible lithium-ion-batterier (LIB'er) med høj energitæthed og stabil elektrokemisk ydeevne betragtes som den mest lovende batteriteknologi til bærbare elektroniske produkter. Selvom brugen af ​​tyndfilmselektroder og polymerbaserede elektroder dramatisk forbedrer fleksibiliteten af ​​LIB'er, er der følgende problemer:

(1) De fleste fleksible batterier er stablet af "negativ elektrode-separator-positiv elektrode", og deres begrænsede deformerbarhed og glidning mellem flerlagsstabler begrænser den overordnede ydeevne af LIB'er;

(2) Under nogle mere alvorlige forhold, såsom foldning, strækning, vikling og kompleks deformation, kan det ikke garantere batteriets ydeevne;

(3) En del af designstrategien ignorerer deformationen af ​​den nuværende metalsamler.

Derfor står det stadig over for mange udfordringer at opnå dens lette bøjningsvinkel, flere deformationstilstande, overlegne mekaniske holdbarhed og høje energitæthed samtidigt.

Introduktion

For nylig offentliggjorde professor Chunyi Zhi og Dr. Cuiping Han fra City University of Hong Kong en artikel med titlen "Human joint inspired structural design for bøjeligt/foldbart/strækbart/drejeligt batteri: at opnå multipel deformerbarhed" på Energy Environ. Sci. Dette arbejde var inspireret af strukturen af ​​menneskelige led og designet en slags fleksible LIB'er, der ligner ledsystemet. Baseret på dette nye design kan det forberedte, fleksible batteri opnå høj energitæthed og bøjes eller endda foldes ved 180°. Samtidig kan den strukturelle struktur ændres gennem forskellige viklingsmetoder, så fleksible LIB'er har rige deformationsevner, kan anvendes på mere alvorlige og komplekse deformationer (vikling og vridning), og kan endda strækkes, og deres deformationsevner er langt ud over tidligere rapporter om fleksible LIB'er. Finite element simuleringsanalyse bekræftede, at batteriet designet i dette papir ikke ville gennemgå irreversibel plastisk deformation af den nuværende metalsamler under forskellige barske og komplekse deformationer. Samtidig kan det samlede firkantede enhedsbatteri opnå en energitæthed på op til 371.9 Wh/L, hvilket er 92.9 % af det traditionelle softpack-batteri. Derudover kan den opretholde en stabil cyklusydelse selv efter mere end 200,000 gange dynamisk bøjning og 25,000 gange dynamisk forvrængning.

Yderligere forskning viser, at den samlede cylindriske enhedscelle kan modstå mere alvorlige og komplekse deformationer. Efter mere end 100,000 dynamiske strækninger, 20,000 drejninger og 100,000 bøjningsdeformationer, kan den stadig opnå en høj kapacitet på mere end 88 % - fastholdelsesgrad. Derfor giver de fleksible LIB'er, der er foreslået i dette papir, en massiv udsigt til praktiske anvendelser i bærbar elektronik.

Forskning højdepunkter

1) Fleksible LIB'er, inspireret af menneskelige led, kan opretholde stabil cykluspræstation under bøjning, vridning, strækning og viklingsdeformationer;

(2) Med et firkantet fleksibelt batteri kan det opnå en energitæthed på op til 371.9 Wh/L, hvilket er 92.9 % af det traditionelle bløde batteri;

(3) Forskellige viklingsmetoder kan ændre formen på batteristakken og give batteriet tilstrækkelig deformerbarhed.

Grafisk guide

Forskning har vist, at ud over at sikre høj volumen energitæthed og mere kompleks deformation, skal det strukturelle design også undgå plastisk deformation af strømaftageren. Finite element simuleringen viser, at den bedste metode til strømaftageren bør være at forhindre strømaftageren i at have en lille bøjningsradius under bøjningsprocessen for at undgå den plastiske deformation og irreversible skader på strømaftageren.

Figur 1a viser strukturen af ​​de menneskelige led, hvor det smarte større, buede overfladedesign hjælper leddene til at rotere jævnt. Baseret på dette viser figur 1b en typisk grafitanode/membran/lithiumcobaltat (LCO) anode, som kan vikles ind i en firkantet tyk stabelstruktur. Ved krydset består den af ​​to tykke stive stakke og en fleksibel del. Endnu vigtigere er det, at den tykke stabel har en buet overflade svarende til ledknogledækslet, hvilket hjælper med at buffertrykket og giver det fleksible batteris primære kapacitet. Den elastiske del fungerer som et ledbånd, der forbinder tykke stakke og giver fleksibilitet (Figur 1c). Udover at vikle til en firkantet bunke, kan batterier med cylindriske eller trekantede celler også fremstilles ved at ændre opviklingsmetoden (figur 1d). For fleksible LIB'er med kvadratiske energilagringsenheder vil de indbyrdes forbundne segmenter rulle langs den bueformede overflade af den tykke stabel under bøjningsprocessen (Figur 1e), hvorved energitætheden af ​​det fleksible batteri øges betydeligt. Derudover kan fleksible LIB'er med cylindriske enheder gennem elastisk polymerindkapsling opnå strækbare og fleksible egenskaber (figur 1f).

Figur 1 (a) Designet af unik ligamentforbindelse og buet overflade er afgørende for at opnå fleksibilitet; (b) Skematisk diagram af fleksibel batteristruktur og fremstillingsproces; (c) knogle svarer til tykkere elektrodestak, og ledbånd svarer til udrullet (D) Fleksibel batteristruktur med cylindriske og trekantede celler; (e) Skematisk stabling af kvadratiske celler; (f) Udstrækningsdeformation af cylindriske celler.

Yderligere brug af mekanisk simuleringsanalyse bekræftede stabiliteten af ​​den fleksible batteristruktur. Figur 2a viser spændingsfordelingen af ​​kobber- og aluminiumsfolie, når de bøjes til en cylinder (180° radian). Resultaterne viser, at belastningen af ​​kobber- og aluminiumsfolie er meget lavere end deres flydespænding, hvilket indikerer, at denne deformation ikke vil forårsage plastisk deformation. Den nuværende metalsamler kan undgå uoprettelige skader.

Figur 2b viser spændingsfordelingen, når bøjningsgraden øges yderligere, og spændingen af ​​kobberfolie og aluminiumsfolie også er mindre end deres tilsvarende flydespænding. Derfor kan strukturen modstå foldedeformation og samtidig bevare en god holdbarhed. Ud over bøjningsdeformation kan systemet opnå en vis grad af forvrængning (figur 2c).

For batterier med cylindriske enheder kan den på grund af cirklens iboende egenskaber opnå mere alvorlig og kompleks deformation. Derfor, når batteriet foldes til 180o (Figur 2d, e), strækkes til omkring 140 % af den oprindelige længde (Figur 2f) og snoet til 90o (Figur 2g), kan det opretholde mekanisk stabilitet. Derudover, når bøjning + vridning og viklingsdeformation anvendes separat, vil den designede LIBs struktur ikke forårsage irreversibel plastisk deformation af den nuværende metalsamler under forskellige alvorlige og komplekse deformationer.

Figur 2 (ac) Finite element simuleringsresultater af en firkantet celle under bøjning, foldning og vridning; (di) Finite element simuleringsresultater af en cylindrisk celle under bøjning, foldning, strækning, drejning, bøjning + drejning og vikling.

For at evaluere den elektrokemiske ydeevne af det designet fleksible batteri blev LiCoO2 brugt som katodemateriale til at teste afladningskapaciteten og cyklusstabiliteten. Som vist i figur 3a er afladningskapaciteten af ​​batteriet med firkantede celler ikke reduceret væsentligt, efter at planet er deformeret til at bøje, ringe, folde og snoet ved 1 C forstørrelse, hvilket betyder, at den mekaniske deformation ikke vil forårsage design af det fleksible batteri skal være elektrokemisk Ydelse falder. Selv efter dynamisk bøjning (figur 3c, d) og dynamisk vridning (figur 3e, f), og efter et vist antal cyklusser, har opladnings- og afladningsplatformen og langcyklusydelsen ingen synlige ændringer, hvilket betyder, at den interne struktur af batteriet er godt beskyttet.

Figur 3 (a) Opladnings- og afladningstest af firkantet enhedsbatteri under 1C; (b) Ladnings- og afladningskurve under forskellige forhold; (c, d) Under dynamisk bøjning, battericyklusydelse og tilsvarende opladnings- og afladningskurve; (e, f) Under dynamisk torsion, batteriets cyklusydelse og den tilsvarende opladnings-afladningskurve under forskellige cyklusser.

Simuleringsanalyseresultaterne viser, at takket være cirklens iboende karakteristika kan de fleksible LIB'er med cylindriske elementer modstå mere ekstreme og komplekse deformationer. Derfor, for at demonstrere den elektrokemiske ydeevne af de fleksible LIB'er i den cylindriske enhed, blev testen udført med en hastighed på 1 C, hvilket viste, at når batteriet gennemgår forskellige deformationer, er der næsten ingen ændring i den elektrokemiske ydeevne. Deformationen vil ikke få spændingskurven til at ændre sig (Figur 4a, b).

For yderligere at evaluere det cylindriske batteris elektrokemiske stabilitet og mekaniske holdbarhed udsatte det batteriet for en dynamisk automatiseret belastningstest med en hastighed på 1 C. Forskning viser, at efter dynamisk strækning (Figur 4c, d), dynamisk torsion (Figur 4e, f). , og dynamisk bøjning + vridning (Figur 4g, h), påvirkes batteriets opladnings-afladningscyklus ydeevne og den tilsvarende spændingskurve ikke. Figur 4i viser ydeevnen af ​​et batteri med en farverig energilagringsenhed. Afladningskapaciteten falder fra 133.3 mAm g-1 til 129.9 mAh g-1, og kapacitetstabet pr. cyklus er kun 0.04%, hvilket indikerer, at deformation ikke vil påvirke dens cyklusstabilitet og afladningskapacitet.

Figur 4 (a) Ladnings- og afladningscyklustest af forskellige konfigurationer af cylindriske celler ved 1 C; (b) Tilsvarende lade- og afladningskurver for batteriet under forskellige forhold; (c, d) Cyklusydelse og opladning af batteriet under dynamisk spænding Afladningskurve; (e, f) batteriets cyklusydelse under dynamisk torsion og den tilsvarende opladnings-afladningskurve under forskellige cyklusser; (g, h) batteriets cyklusydelse under dynamisk bøjning + torsion og den tilsvarende opladnings-afladningskurve under forskellige cyklusser; (I) Lade- og afladningstest af prismatiske enhedsbatterier med forskellige konfigurationer ved 1 C.

For at evaluere anvendelsen af ​​det udviklede fleksible batteri i praksis, bruger forfatteren fulde batterier med forskellige typer energilagringsenheder til at drive nogle kommercielle elektroniske produkter, såsom høretelefoner, smartwatches, mini elektriske blæsere, kosmetiske instrumenter og smartphones. Begge er tilstrækkelige til hverdagsbrug, og repræsenterer fuldt ud anvendelsespotentialet for forskellige fleksible og bærbare elektroniske produkter.

Figur 5 anvender det designede batteri til høretelefoner, smartwatches, mini elektriske blæsere, kosmetisk udstyr og smartphones. Det fleksible batteri leverer strøm til (a) høretelefoner, (b) smartwatches og (c) mini elektriske blæsere; d) leverer strøm til kosmetisk udstyr; (e) under forskellige deformationsforhold leverer det fleksible batteri strøm til smartphones.

Resumé og udsigter

Sammenfattende er denne artikel inspireret af strukturen af ​​menneskelige led. Det foreslår en unik designmetode til fremstilling af et fleksibelt batteri med høj energitæthed, multipel deformerbarhed og holdbarhed. Sammenlignet med traditionelle fleksible LIB'er kan dette nye design effektivt undgå plastisk deformation af den nuværende metalsamler. Samtidig kan de buede overflader, der er reserveret i begge ender af energilagringsenheden designet i dette papir, effektivt lindre den lokale belastning af de indbyrdes forbundne komponenter. Derudover kan forskellige viklingsmetoder ændre formen på stakken, hvilket giver batteriet tilstrækkelig deformerbarhed. Det fleksible batteri udviser fremragende cyklusstabilitet og mekanisk holdbarhed takket være det nye design og har omfattende anvendelsesmuligheder i forskellige fleksible og bærbare elektroniske produkter.

Litteratur link

Menneskeligt led-inspireret strukturelt design til bøjeligt/foldbart/strækbart/vridbart batteri: opnår multipel deformerbarhed. (Energimiljø. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)