Hong Kong CityU EES: Flexibel Lithium-Ion Batterie inspiréiert vu mënschleche Gelenker

Fuerschung Hannergrond

Déi ëmmer méi Nofro fir elektronesch Produkter huet déi séier Entwécklung vu flexibelen an héich-Energie-Dicht Späichergeräter an de leschte Joeren gefördert. Flexibel Lithium-Ion Batterien (LIBs) mat héijer Energiedicht a stabiler elektrochemescher Leeschtung ginn als déi villverspriechend Batterietechnologie fir wearable elektronesch Produkter ugesinn. Obwuel d'Benotzung vun Dënn-Film Elektroden a Polymer-baséiert Elektroden dramatesch verbessert d'Flexibilitéit vun LIBs, et sinn déi folgend Problemer:

(1) Déi meescht flexibel Akkuen gi gestapelt duerch "negativ Elektroden-Separator-Positiv Elektrode", an hir limitéiert Verformbarkeet a Rutsch tëscht Multi-Layer Stacks beschränken d'Gesamtleistung vun LIBs;

(2) Ënner e puer méi schwéiere Konditiounen, wéi ausklappen, strecken, winding, a komplex Deformatioun, kann et Batterie Leeschtung net garantéieren;

(3) En Deel vun der Designstrategie ignoréiert d'Verformung vum aktuellen Metallsammler.

Dofir, gläichzäiteg säi liichte Béiewénkel z'erreechen, verschidde Verformungsmodi, superieur mechanesch Haltbarkeet, an héich Energiedicht ass ëmmer nach vill Erausfuerderungen.

Aféierung

Viru kuerzem hunn de Professer Chunyi Zhi an den Dr. Sci. Dës Aarbecht gouf inspiréiert vun der Struktur vu mënschleche Gelenker an entworf eng Zort flexibel LIBs ähnlech wéi de gemeinsame System. Baséierend op dësem neien Design kann déi virbereet, flexibel Batterie eng héich Energiedicht erreechen a bei 180 ° gebogen oder souguer geklappt ginn. Zur selwechter Zäit kann d'Strukturstruktur duerch verschidde Wicklungsmethoden geännert ginn, sou datt flexibel LIBs reiche Verformungsfäegkeeten hunn, kënne fir méi schwéier a komplex Deformatiounen applizéiert ginn (Wicklung a Verdrehung), a kënne souguer gestreckt ginn, an hir Verformungsfäegkeeten sinn wäit doriwwer eraus virdrun Rapporte vun flexibel LIBs. Finite Element Simulatioun Analyse confirméiert datt d'Batterie an dësem Pabeier entworf net irreversibel Plastik Deformatioun vun der aktueller Metal Sammelstécker ënner verschiddenen haarden a komplex Deformatiounen ënnergoe géif. Zur selwechter Zäit kann déi versammelt Quadrat Eenheet Batterie eng Energiedicht vu bis zu 371.9 Wh / L erreechen, wat 92.9% vun der traditioneller Soft Pack Batterie ass. Zousätzlech kann et stabil Zyklusleistung behalen och no méi wéi 200,000 Mol dynamesch Béie an 25,000 Mol dynamescher Verzerrung.

Weider Fuerschung weist datt déi zesummegebaute zylindresch Eenheetszell méi schwéier a komplex Deformatiounen widderstoen kann. No méi wéi 100,000 dynamesche Stretchungen, 20,000 Twists an 100,000 Béiedeformatiounen kann et nach ëmmer eng héich Kapazitéit vu méi wéi 88% erreechen - Retentiounsquote. Dofir bidden déi flexibel LIBs, déi an dësem Pabeier proposéiert ginn, e massive Perspektiv fir praktesch Uwendungen an wearable Elektronik.

Fuerschung Highlights

1) Flexibel LIBs, inspiréiert vu mënschleche Gelenker, kënne stabile Zyklusleistung ënner Biegen, Verdrehung, Stretching a Wicklungsverformungen erhalen;

(2) Mat enger quadratesch flexibel Batterie kann et eng Energiedicht vu bis zu 371.9 Wh / L erreechen, wat 92.9% vun der traditioneller Soft-Pack Batterie ass;

(3) Verschidde Wicklungsmethoden kënnen d'Form vum Batteriestack änneren an d'Batterie genuch Verformbarkeet ginn.

Grafesch Guide

D'Fuerschung huet gewisen datt nieft der héijer Volumenenergiedicht a méi komplexer Verformung ze garantéieren, muss de strukturellen Design och plastesch Verformung vum aktuellen Sammler vermeiden. D'finite Element Simulatioun weist, datt déi bescht Method vun der aktueller Sammelstécker soll ginn, datt den aktuellen Sammelstécker e klenge Béie Radius während dem Béie Prozess ze verhënneren der Plastik Deformatioun an irreversibel Schued vun der aktueller Sammelstécker ze vermeiden.

D'Bild 1a weist d'Struktur vun de mënschleche Gelenker, an deem de clever gréissere gebogen Uewerflächentwurf hëlleft d'Gelenker glat ze dréinen. Baséiert op dëser, Figur 1b weist eng typesch GRAPHITE Anode / Membran / Lithiumkobaltate (LCO) Anode, déi an engem véiereckege décke Stack Struktur gewéckelt ginn. Um Kräizung besteet et aus zwee décke steife Stacks an engem flexibelen Deel. Méi wichteg ass den décke Stack eng kromme Uewerfläch entsprécht dem gemeinsame Knochendeckel, wat hëlleft Pufferdrock a bitt d'primär Kapazitéit vun der flexibeler Batterie. Den elastesche Deel handelt als Bande, verbënnt décke Stack a bitt Flexibilitéit (Figure 1c). Nieft der Wicklung an e Quadratstapel kënnen och Batterien mat zylindreschen oder dreieckegen Zellen hiergestallt ginn andeems d'Wicklungsmethod geännert gëtt (Figure 1d). Fir flexibel LIBs mat Quadratenergie-Späichereenheeten, wäerten déi vernetzt Segmenter laanscht d'bogenfërmeg Uewerfläch vum décke Stack wärend dem Béieprozess (Figur 1e) rullen, an doduerch d'Energiedicht vun der flexibeler Batterie wesentlech erhéijen. Zousätzlech, duerch elastesch Polymer Encapsulation, flexibel LIBs mat zylindresch Unitéiten kann stretchable a flexibel Eegeschafte erreechen (Figur 1f).

Figur 1 (a) Den Design vun enger eenzegaarteger Ligamentverbindung a gebogener Uewerfläch ass essentiell fir Flexibilitéit z'erreechen; (b) Schematesch Diagramm vun flexibel Batterie Struktur an Fabrikatioun Prozess; (c) Schanken entsprécht décke Elektroden Stack, an ligament entsprécht unrolled (D) Flexibel Batterie Struktur mat zylindresch an dräieckeger Zellen; (e) Stacking schematesch Diagramm vu Quadratzellen; (f) Stretching Deformatioun vun zylindreschen Zellen.

Weider Notzung vun mechanesch Simulatioun Analyse bestätegt d'Stabilitéit vun der flexibel Batterie Struktur. Figur 2a weist d'Spannungsverdeelung vu Kupfer an Aluminiumfolie wann se an en Zylinder gebéit (180 ° Radian). D'Resultater weisen datt de Stress vu Kupfer an Aluminiumfolie vill méi niddereg ass wéi hir Ausbezuelkraaft, wat beweist datt dës Verformung keng plastesch Verformung verursaacht. Den aktuelle Metallsammler kann irreversibele Schued vermeiden.

Figur 2b weist d'Spannungsverdeelung wann de Biegengrad weider erhéicht gëtt, an de Stress vu Kupferfolie an Aluminiumfolie ass och manner wéi hir entspriechend Ausbezuelkraaft. Dofir kann d'Struktur d'Klappdeformatioun widderstoen, wärend eng gutt Haltbarkeet behalen. Nieft der Béie Verformung kann de System e gewësse Grad vu Verzerrung erreechen (Figur 2c).

Fir Akkuen mat zylindreschen Eenheeten, wéinst den inherente Charakteristiken vum Krees, kann et méi schwéier a komplex Verformung erreechen. Dofir, wann d'Batterie op 180o geklappt ass (Figur 2d, e), op ongeféier 140% vun der ursprénglecher Längt gestreckt gëtt (Figur 2f), an op 90o verdreift (Figur 2g), kann se mechanesch Stabilitéit behalen. Zousätzlech, wann Béie + Verdrehung a Wicklungsverformung getrennt applizéiert ginn, wäert d'entworf LIBs Struktur net irreversibel Plastiksverformung vum aktuellen Metallkollektor ënner verschiddene schwéieren a komplexe Deformatiounen verursaachen.

Figur 2 (ac) Finite Element Simulatiounsresultater vun enger Quadratzell ënner Béie, Klappt a Verdrehung; (di) Finite Element Simulatiounsresultater vun enger zylindrescher Zell ënner Béie, Klapp, Stretching, Twist, Béie + Twist a Wicklung.

Fir d'elektrochemesch Leeschtung vun der entwéckelter flexibeler Batterie ze evaluéieren, gouf LiCoO2 als Kathodematerial benotzt fir d'Entladungskapazitéit an d'Zyklusstabilitéit ze testen. Wéi an der Figur 3a gewisen, ass d'Entladungskapazitéit vun der Batterie mat Quadratzellen net wesentlech reduzéiert nodeems de Fliger deforméiert ass fir ze béien, ringen, geklappt a verdreift bei 1 C Vergréisserung, dat heescht datt d'mechanesch Verformung net den Design vun der flexibel Batterie ze elektrochemesch Leeschtung Drëpsen. Och nom dynamesche Béi (Figure 3c, d) an dynamescher Torsioun (Figure 3e, f), an no enger gewësser Zuel vu Zyklen hunn d'Lade- an Entladungsplattform a laang Zyklusleistung keng visuell Ännerungen, wat heescht datt d'intern Struktur vun d'Batterie ass gutt geschützt.

Figur 3 (a) Opluedstatiounen an Offlossquantitéit Test vun véiereckege Eenheet Batterie ënner 1C; (b) Charge an Offlossquantitéit ënner verschiddene Konditiounen; (c, d) Ënner dynamesch Béie, Batterie Zyklus Leeschtung an entspriechend charge an Offlossquantitéit Curve; (e, f) Ënner dynamescher Torsioun, d'Zyklusleistung vun der Batterie an déi entspriechend Charge-Entladungskurve ënner verschiddene Zyklen.

D'Resultater vun der Simulatiounsanalyse weisen datt dank den inherente Charakteristiken vum Krees déi flexibel LIBs mat zylindreschen Elementer méi extrem a komplex Deformatiounen ausstoen. Dofir, fir d'elektrochemesch Leeschtung vun de flexibelen LIBs vun der zylindrescher Eenheet ze demonstréieren, gouf den Test mat enger Rate vun 1 C duerchgefouert, wat gewisen huet datt wann d'Batterie verschidde Verformungen erliewt, gëtt et bal keng Verännerung vun der elektrochemescher Leeschtung. D'Deformatioun wäert d'Spannungskurve net änneren (Figure 4a, b).

Fir d'elektrochemesch Stabilitéit an d'mechanesch Haltbarkeet vun der zylindrescher Batterie weider ze evaluéieren, huet se d'Batterie un engem dynamesche automatiséierte Lasttest mat enger Rate vun 1 C ënnerworf. , an dynamesch Béie + Torsioun (Figure 4g, h), d'Batterieladung-Entladungszyklus Leeschtung an déi entspriechend Spannungskurve sinn net beaflosst. Figur 4i weist d'Leeschtungsfähegkeet vun enger Batterie mat enger faarweg Energie Stockage Eenheet. D'Entladungskapazitéit zerfällt vun 4 mAm g-4 op 133.3 mAh g-1, an de Kapazitéitsverloscht pro Zyklus ass nëmmen 129.9%, wat beweist datt d'Verformung net seng Zyklusstabilitéit an d'Entladungskapazitéit beaflosst.

Figur 4 (a) Charge an Offlossquantitéit Zyklus Test vun verschiddenen Konfiguratiounen vun zylindresch Zellen um 1 C; (b) Korrespondéiert Laden an Entladungskurven vun der Batterie ënner verschiddene Konditiounen; (c, d) Zyklus Leeschtung an charge vun der Batterie ënner dynamesch Spannung Offlossquantitéit Curve; (e, f) d'Zyklusleistung vun der Batterie ënner dynamescher Torsioun an déi entspriechend Charge-Entladungskurve ënner verschiddene Zyklen; (g, h) d'Zyklusleistung vun der Batterie ënner dynamescher Béie + Torsioun an déi entspriechend Lade-Entladungskurve ënner verschiddene Zyklen; (I) Laden an Entladungstest vu prismatesche Eenheetsbatterien mat verschiddene Konfiguratiounen bei 1 C.

Fir d'Uwendung vun der entwéckelter flexibeler Batterie an der Praxis ze evaluéieren, benotzt den Auteur voll Batterien mat verschiddenen Zorte vun Energiespeicherunitéiten fir e puer kommerziell elektronesch Produkter z'ënnerstëtzen, wéi Kopfhörer, Smartwatches, Mini elektresch Fans, kosmetesch Instrumenter a Smartphones. Béid si genuch fir alldeeglech Benotzung, verkierpere voll d'Applikatiounspotenzial vu verschiddene flexibelen a wearable elektronesche Produkter.

Figur 5 applizéiert déi entworf Batterie fir Kopfhörer, Smartwatches, Mini elektresch Fans, kosmetesch Ausrüstung a Smartphones. Déi flexibel Batterie liwwert Kraaft fir (a) Kopfhörer, (b) Smartwatches, an (c) Mini elektresch Fans; (d) liwwert Kraaft fir kosmetesch Ausrüstung; (e) ënner verschiddene Verformungsbedéngungen liwwert déi flexibel Batterie Stroum fir Smartphones.

Resumé an Ausbléck

Zesummegefaasst ass dësen Artikel inspiréiert vun der Struktur vu mënschleche Gelenker. Et proposéiert eng eenzegaarteg Designmethod fir eng flexibel Batterie mat héijer Energiedicht, multiple Verformbarkeet an Haltbarkeet ze fabrizéieren. Am Verglach mat traditionelle flexibelen LIBs kann dësen neien Design effektiv d'plastesch Verformung vum aktuellen Metallsammler vermeiden. Zur selwechter Zäit kënnen déi kromme Flächen, déi op béide Enden vun der Energiespäichereenheet reservéiert sinn, déi an dësem Pabeier entworf sinn, effektiv de lokale Stress vun de verbonne Komponenten entlaaschten. Zousätzlech kënnen verschidden Wicklungsmethoden d'Form vum Stack änneren, sou datt d'Batterie genuch Verformbarkeet gëtt. Déi flexibel Batterie weist exzellent Zyklusstabilitéit a mechanesch Haltbarkeet dank dem neien Design an huet extensiv Uwendungsperspektiven a verschidde flexibel a wearable elektronesch Produkter.

Literatur Link

Mënschleche gemeinsame inspiréierte strukturellen Design fir béibar / ausklappbar / strechbar / verdréibar Batterie: Multiple Deformabilitéit z'erreechen. (Energie Ëmfeld. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)