By hoppt
La creixent demanda de productes electrònics ha promogut el ràpid desenvolupament de dispositius d'emmagatzematge flexibles i d'alta densitat d'energia en els últims anys. Bateries flexibles de ions de liti (LIB) amb alta densitat d'energia i rendiment electroquímic estable es consideren la tecnologia de bateries més prometedora per a productes electrònics portàtils. Tot i que l'ús d'elèctrodes de pel·lícula prima i elèctrodes basats en polímers millora dràsticament la flexibilitat dels LIB, hi ha els problemes següents:
(1) La majoria de les bateries flexibles s'apilen mitjançant "elèctrode positiu-separador d'elèctrodes negatius" i la seva limitada deformabilitat i lliscament entre piles multicapa restringeixen el rendiment global dels LIB;
(2) En algunes condicions més severes, com ara el plegat, l'estirament, l'enrotllament i la deformació complexa, no pot garantir el rendiment de la bateria;
(3) Part de l'estratègia de disseny ignora la deformació del col·lector de metall actual.
Per tant, aconseguir simultàniament el seu lleuger angle de flexió, múltiples modes de deformació, una durabilitat mecànica superior i una alta densitat d'energia encara s'enfronta a molts reptes.
Recentment, el professor Chunyi Zhi i el doctor Cuiping Han de la Universitat de la Ciutat de Hong Kong van publicar un article titulat "Disseny estructural inspirat en articulacions humanes per a una bateria flexible/plegable/estirable/girable: aconseguir una deformabilitat múltiple" a Energy Environ. Ciència. Aquest treball es va inspirar en l'estructura de les articulacions humanes i va dissenyar una mena de LIB flexibles similars al sistema articular. A partir d'aquest nou disseny, la bateria flexible preparada pot aconseguir una alta densitat d'energia i es pot doblegar o fins i tot plegar a 180 °. Al mateix temps, l'estructura estructural es pot canviar mitjançant diferents mètodes de bobinat de manera que els LIB flexibles tinguin capacitats de deformació riques, es puguin aplicar a deformacions més severes i complexes (enrotllament i torsió), i fins i tot es poden estirar, i les seves capacitats de deformació són molt més enllà dels informes anteriors de LIB flexibles. L'anàlisi de simulació d'elements finits va confirmar que la bateria dissenyada en aquest article no patiria una deformació plàstica irreversible del col·lector de metall actual sota diverses deformacions dures i complexes. Al mateix temps, la bateria de la unitat quadrada muntada pot aconseguir una densitat d'energia de fins a 371.9 Wh/L, que és el 92.9% de la bateria tradicional de paquet suau. A més, pot mantenir un rendiment estable del cicle fins i tot després de més de 200,000 vegades de flexió dinàmica i 25,000 vegades de distorsió dinàmica.
Investigacions posteriors mostren que la cèl·lula unitat cilíndrica muntada pot suportar deformacions més severes i complexes. Després de més de 100,000 estiraments dinàmics, 20,000 girs i 100,000 deformacions de flexió, encara pot aconseguir una alta capacitat de més del 88% de taxa de retenció. Per tant, els LIB flexibles proposats en aquest article ofereixen una perspectiva massiva per a aplicacions pràctiques en electrònica portàtil.
1) Els LIB flexibles, inspirats en les articulacions humanes, poden mantenir un rendiment estable del cicle sota deformacions de flexió, torsió, estirament i enrotllament;
(2) Amb una bateria quadrada flexible, pot aconseguir una densitat d'energia de fins a 371.9 Wh/L, que és el 92.9% de la bateria tradicional de paquet suau;
(3) Els diferents mètodes d'enrotllament poden canviar la forma de la pila de bateria i donar-li una deformació suficient.
1. Disseny de nou tipus de LIB biònics flexibles
La investigació ha demostrat que, a més d'assegurar una densitat d'energia de gran volum i una deformació més complexa, el disseny estructural també ha d'evitar la deformació plàstica del col·lector actual. La simulació d'elements finits mostra que el millor mètode del col·lector de corrent hauria de ser evitar que el col·lector de corrent tingui un petit radi de flexió durant el procés de flexió per evitar la deformació plàstica i el dany irreversible del col·lector de corrent.
La figura 1a mostra l'estructura de les articulacions humanes, en què el disseny de la superfície corba intel·ligentment més gran ajuda a les articulacions a girar sense problemes. A partir d'això, la figura 1b mostra un ànode/diafragma/cobaltat de liti (LCO) típic de grafit, que es pot enrotllar en una estructura de pila quadrada gruixuda. A la cruïlla, consta de dues piles rígides gruixudes i una part flexible. Més important encara, la pila gruixuda té una superfície corbada equivalent a la coberta òssia de l'articulació, que ajuda a amortir la pressió i proporciona la capacitat principal de la bateria flexible. La part elàstica actua com un lligament, connectant piles gruixudes i proporcionant flexibilitat (figura 1c). A més d'enrotllar-se en una pila quadrada, també es poden fabricar bateries amb cel·les cilíndriques o triangulars canviant el mètode d'enrotllament (figura 1d). Per als LIB flexibles amb unitats d'emmagatzematge d'energia quadrades, els segments interconnectats rodaran al llarg de la superfície en forma d'arc de la pila gruixuda durant el procés de flexió (figura 1e), augmentant així significativament la densitat d'energia de la bateria flexible. A més, mitjançant l'encapsulació de polímers elàstics, els LIB flexibles amb unitats cilíndriques poden aconseguir propietats estirables i flexibles (figura 1f).
Figura 1 (a) El disseny de la connexió única del lligament i la superfície corba és essencial per aconseguir flexibilitat; (b) Diagrama esquemàtic de l'estructura flexible de la bateria i del procés de fabricació; (c) l'os correspon a una pila d'elèctrodes més gruixuda i el lligament correspon a una estructura de bateria flexible desenrotllada (D) amb cèl·lules cilíndriques i triangulars; (e) Diagrama esquemàtic d'apilament de cel·les quadrades; (f) Deformació d'estirament de cèl·lules cilíndriques.
2. Anàlisi de simulació d'elements finits
L'ús posterior de l'anàlisi de simulació mecànica va confirmar l'estabilitat de l'estructura flexible de la bateria. La figura 2a mostra la distribució de tensions del coure i el paper d'alumini quan es doblega en un cilindre (180 ° radians). Els resultats mostren que la tensió del coure i el paper d'alumini és molt inferior al seu límit elàstic, cosa que indica que aquesta deformació no provocarà deformació plàstica. El col·lector de metall actual pot evitar danys irreversibles.
La figura 2b mostra la distribució de tensions quan el grau de flexió augmenta encara més, i la tensió de la làmina de coure i la làmina d'alumini també és menor que la seva corresponent resistència a la fluència. Per tant, l'estructura pot suportar la deformació del plegat mantenint una bona durabilitat. A més de la deformació de flexió, el sistema pot aconseguir un cert grau de distorsió (figura 2c).
Per a bateries amb unitats cilíndriques, a causa de les característiques inherents al cercle, pot aconseguir una deformació més severa i complexa. Per tant, quan la bateria es plega a 180o (figura 2d, e), s'estira a uns 140% de la longitud original (figura 2f) i es gira fins a 90o (figura 2g), pot mantenir l'estabilitat mecànica. A més, quan la flexió + torsió i la deformació de l'enrotllament s'apliquen per separat, l'estructura LIB dissenyada no provocarà una deformació plàstica irreversible del col·lector de metall actual sota diverses deformacions greus i complexes.
Figura 2 (ac) Resultats de la simulació d'elements finits d'una cel·la quadrada sota flexió, plegat i torsió; (di) Resultats de simulació d'elements finits d'una cèl·lula cilíndrica sota flexió, plegat, estirament, torsió, flexió + torsió i enrotllament.
3. Rendiment electroquímic dels LIB flexibles de la unitat quadrada d'emmagatzematge d'energia
Per avaluar el rendiment electroquímic de la bateria flexible dissenyada, es va utilitzar LiCoO2 com a material càtode per provar la capacitat de descàrrega i l'estabilitat del cicle. Tal com es mostra a la figura 3a, la capacitat de descàrrega de la bateria amb cèl·lules quadrades no es redueix significativament després de deformar-se el pla per doblegar-lo, anellar-lo, plegar-lo i torçar-lo amb un augment d'1 C, el que significa que la deformació mecànica no provocarà el disseny de la bateria flexible per ser electroquímicament El rendiment baixa. Fins i tot després de la flexió dinàmica (figura 3c, d) i la torsió dinàmica (figura 3e, f) i després d'un cert nombre de cicles, la plataforma de càrrega i descàrrega i el rendiment de cicle llarg no tenen canvis aparents, cosa que significa que l'estructura interna de la bateria està ben protegida.
Figura 3 (a) Prova de càrrega i descàrrega de la bateria de la unitat quadrada sota 1C; (b) Corba de càrrega i descàrrega en diferents condicions; (c, d) Sota flexió dinàmica, rendiment del cicle de la bateria i corba de càrrega i descàrrega corresponent; (e, f) En torsió dinàmica, el rendiment del cicle de la bateria i la corresponent corba de càrrega-descàrrega en diferents cicles.
4. Rendiment electroquímic dels LIB flexibles de la unitat d'emmagatzematge d'energia cilíndrica
Els resultats de l'anàlisi de simulació mostren que gràcies a les característiques inherents al cercle, els LIB flexibles amb elements cilíndrics poden suportar deformacions més extremes i complexes. Per tant, per demostrar el rendiment electroquímic dels LIB flexibles de la unitat cilíndrica, la prova es va dur a terme a una velocitat d'1 C, la qual cosa va demostrar que quan la bateria pateix diverses deformacions, gairebé no hi ha cap canvi en el rendiment electroquímic. La deformació no farà que la corba de tensió canviï (figura 4a, b).
Per avaluar encara més l'estabilitat electroquímica i la durabilitat mecànica de la bateria cilíndrica, va sotmetre la bateria a una prova de càrrega dinàmica automatitzada a una velocitat d'1 C. La investigació mostra que després de l'estirament dinàmic (figura 4c, d), la torsió dinàmica (figura 4e, f) , i flexió dinàmica + torsió (figura 4g, h), el rendiment del cicle de càrrega-descàrrega de la bateria i la corba de tensió corresponent no es veuen afectats. La figura 4i mostra el rendiment d'una bateria amb una unitat d'emmagatzematge d'energia de colors. La capacitat de descàrrega disminueix de 133.3 mAm g-1 a 129.9 mAh g-1 i la pèrdua de capacitat per cicle és només del 0.04%, cosa que indica que la deformació no afectarà l'estabilitat del cicle i la capacitat de descàrrega.
Figura 4 (a) Prova de cicle de càrrega i descàrrega de diferents configuracions de cèl·lules cilíndriques a 1 C; (b) Corbes de càrrega i descàrrega corresponents de la bateria en diferents condicions; (c, d) Rendiment del cicle i càrrega de la bateria sota tensió dinàmica Corba de descàrrega; (e, f) el rendiment del cicle de la bateria sota torsió dinàmica i la corresponent corba de càrrega-descàrrega en diferents cicles; (g, h) el rendiment del cicle de la bateria en flexió dinàmica + torsió i la corresponent corba de càrrega-descàrrega en diferents cicles; (I) Prova de càrrega i descàrrega de bateries d'unitats prismàtiques amb diferents configuracions a 1 C.
5. Aplicació de productes electrònics flexibles i portàtils
Per avaluar l'aplicació de la bateria flexible desenvolupada a la pràctica, l'autor utilitza bateries completes amb diferents tipus d'unitats d'emmagatzematge d'energia per alimentar alguns productes electrònics comercials, com ara auriculars, rellotges intel·ligents, mini ventiladors elèctrics, instruments cosmètics i telèfons intel·ligents. Tots dos són suficients per a l'ús diari, encarnen plenament el potencial d'aplicació de diversos productes electrònics flexibles i portàtils.
La figura 5 aplica la bateria dissenyada a auriculars, rellotges intel·ligents, mini ventiladors elèctrics, equips cosmètics i telèfons intel·ligents. La bateria flexible proporciona energia per a (a) auriculars, (b) rellotges intel·ligents i (c) mini ventiladors elèctrics; (d) subministra energia als equips cosmètics; (e) sota diferents condicions de deformació, la bateria flexible subministra energia als telèfons intel·ligents.
En resum, aquest article està inspirat en l'estructura de les articulacions humanes. Proposa un mètode de disseny únic per a la fabricació d'una bateria flexible amb alta densitat d'energia, deformabilitat múltiple i durabilitat. En comparació amb els LIB flexibles tradicionals, aquest nou disseny pot evitar eficaçment la deformació plàstica del col·lector de metall actual. Al mateix temps, les superfícies corbes reservades als dos extrems de la unitat d'emmagatzematge d'energia dissenyada en aquest document poden alleujar eficaçment l'estrès local dels components interconnectats. A més, diferents mètodes de bobinat poden canviar la forma de la pila, donant a la bateria una deformabilitat suficient. La bateria flexible presenta una excel·lent estabilitat del cicle i una durabilitat mecànica gràcies al nou disseny i té àmplies perspectives d'aplicació en diversos productes electrònics flexibles i portàtils.
Disseny estructural inspirat en articulacions humanes per a bateries flexibles/plegables/estirables/girables: aconseguir una deformabilitat múltiple. (Energia Medi Ambient. Ciència., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
respon en 6 hores, qualsevol pregunta és benvinguda!
