Hong Kong CityU EES: Batri lithiwm-ion hyblyg wedi'i ysbrydoli gan gymalau dynol

Cefndir Ymchwil

Mae'r galw cynyddol am gynhyrchion electronig wedi hyrwyddo datblygiad cyflym dyfeisiau storio hyblyg a dwysedd ynni uchel yn ystod y blynyddoedd diwethaf. Batris ïon lithiwm hyblyg (LIBs) gyda dwysedd ynni uchel a pherfformiad electrocemegol sefydlog yn cael eu hystyried fel y dechnoleg batri mwyaf addawol ar gyfer cynhyrchion electronig gwisgadwy. Er bod y defnydd o electrodau ffilm tenau ac electrodau polymer yn gwella hyblygrwydd LIBs yn ddramatig, mae yna'r problemau canlynol:

(1) Mae'r rhan fwyaf o fatris hyblyg yn cael eu pentyrru gan "electrod electrod-gwahanydd-positif negyddol," ac mae eu anffurfiad cyfyngedig a'u llithriad rhwng staciau multilayer yn cyfyngu ar berfformiad cyffredinol LIBs;

(2) O dan rai amodau mwy difrifol, megis plygu, ymestyn, troellog, a dadffurfiad cymhleth, ni all warantu perfformiad batri;

(3) Mae rhan o'r strategaeth ddylunio yn anwybyddu dadffurfiad y casglwr metel presennol.

Felly, ar yr un pryd gyflawni ei ongl plygu bach, dulliau anffurfio lluosog, gwydnwch mecanyddol uwch, a dwysedd ynni uchel yn dal i wynebu llawer o heriau.

Cyflwyniad

Yn ddiweddar, cyhoeddodd yr Athro Chunyi Zhi a Dr. Cuiping Han o Brifysgol Dinas Hong Kong bapur o'r enw "Dyluniad strwythurol wedi'i ysbrydoli gan y cyd dynol ar gyfer batri plygu / plygadwy / ymestyn / troelladwy: cyflawni anffurfiad lluosog" ar Energy Environ. Sci. Ysbrydolwyd y gwaith hwn gan strwythur cymalau dynol a dyluniodd fath o LIBs hyblyg tebyg i'r system cymalau. Yn seiliedig ar y dyluniad newydd hwn, gall y batri parod, hyblyg gyflawni dwysedd ynni uchel a chael ei blygu neu hyd yn oed ei blygu ar 180 °. Ar yr un pryd, gellir newid y strwythur strwythurol trwy wahanol ddulliau troellog fel bod gan LIBs hyblyg alluoedd anffurfio cyfoethog, gellir eu cymhwyso i anffurfiadau mwy difrifol a chymhleth (troellog a throellog), a gellir eu hymestyn hyd yn oed, ac mae eu galluoedd anffurfio yn cael eu ymhell y tu hwnt i adroddiadau blaenorol LIBs hyblyg. Cadarnhaodd dadansoddiad efelychiad elfen gyfyngedig na fyddai'r batri a ddyluniwyd yn y papur hwn yn destun dadffurfiad plastig anwrthdroadwy o'r casglwr metel presennol o dan amrywiol anffurfiadau llym a chymhleth. Ar yr un pryd, gall y batri uned sgwâr wedi'i ymgynnull gyflawni dwysedd ynni o hyd at 371.9 Wh / L, sef 92.9% o'r batri pecyn meddal traddodiadol. Yn ogystal, gall gynnal perfformiad beicio sefydlog hyd yn oed ar ôl mwy na 200,000 o weithiau o blygu deinamig a 25,000 o weithiau o ystumio deinamig.

Mae ymchwil pellach yn dangos y gall y gell uned silindrog ymgynnull wrthsefyll anffurfiannau mwy difrifol a chymhleth. Ar ôl mwy na 100,000 o ymestyniadau deinamig, 20,000 o droeon, a 100,000 o anffurfiannau plygu, gall barhau i gyflawni cynhwysedd uchel o fwy nag 88% - cyfradd cadw. Felly, mae'r LIBs hyblyg a gynigir yn y papur hwn yn cynnig gobaith enfawr ar gyfer cymwysiadau ymarferol mewn electroneg gwisgadwy.

Uchafbwyntiau ymchwil

1) Gall LIBs hyblyg, wedi'u hysbrydoli gan gymalau dynol, gynnal perfformiad beicio sefydlog o dan anffurfiadau plygu, troelli, ymestyn a throellog;

(2) Gyda batri hyblyg sgwâr, gall gyflawni dwysedd ynni o hyd at 371.9 Wh / L, sef 92.9% o'r batri pecyn meddal traddodiadol;

(3) Gall gwahanol ddulliau dirwyn i ben newid siâp y pentwr batri a rhoi digon o anffurfiad i'r batri.

Canllaw graffeg

Mae ymchwil wedi dangos, yn ogystal â sicrhau dwysedd ynni cyfaint uchel ac anffurfiad mwy cymhleth, bod yn rhaid i'r dyluniad strwythurol hefyd osgoi dadffurfiad plastig y casglwr presennol. Mae'r efelychiad elfen feidraidd yn dangos mai'r dull gorau o'r casglwr presennol ddylai fod i atal y casglwr presennol rhag cael radiws plygu bach yn ystod y broses blygu er mwyn osgoi dadffurfiad plastig a difrod anwrthdroadwy'r casglwr presennol.

Mae Ffigur 1a yn dangos strwythur y cymalau dynol, lle mae'r dyluniad arwyneb crwm mwy clyfar yn helpu'r cymalau i gylchdroi'n esmwyth. Yn seiliedig ar hyn, mae Ffigur 1b yn dangos anod graffit/diaffram/lithiwm cobaltad (LCO) anod nodweddiadol, y gellir ei glwyfo'n strwythur stac sgwâr trwchus. Ar y gyffordd, mae'n cynnwys dau bentwr anhyblyg trwchus a rhan hyblyg. Yn bwysicach fyth, mae gan y pentwr trwchus arwyneb crwm sy'n cyfateb i'r gorchudd asgwrn ar y cyd, sy'n helpu i glustogi pwysau ac yn darparu cynhwysedd sylfaenol y batri hyblyg. Mae'r rhan elastig yn gweithredu fel ligament, gan gysylltu staciau trwchus a darparu hyblygrwydd (Ffigur 1c). Yn ogystal â dirwyn i bentwr sgwâr, gellir cynhyrchu batris â chelloedd silindrog neu drionglog hefyd trwy newid y dull dirwyn i ben (Ffigur 1d). Ar gyfer LIBs hyblyg gydag unedau storio ynni sgwâr, bydd y segmentau rhyng-gysylltiedig yn rholio ar hyd wyneb siâp arc y pentwr trwchus yn ystod y broses blygu (Ffigur 1e), a thrwy hynny gynyddu dwysedd ynni'r batri hyblyg yn sylweddol. Yn ogystal, trwy amgáu polymer elastig, gall LIBs hyblyg gydag unedau silindrog gyflawni priodweddau ymestynnol a hyblyg (Ffigur 1f).

Ffigur 1 (a) Mae dyluniad cysylltiad ligament unigryw ac arwyneb crwm yn hanfodol i sicrhau hyblygrwydd; (b) Diagram sgematig o strwythur batri hyblyg a'r broses weithgynhyrchu; (c) asgwrn yn cyfateb i stac electrod mwy trwchus, ac mae ligament yn cyfateb i unrolled (D) Strwythur batri hyblyg gyda chelloedd silindrog a trionglog; (d) Diagram sgematig pentyrru o gelloedd sgwâr; (dd) Ymestyn anffurfiad celloedd silindrog.

Cadarnhaodd defnydd pellach o ddadansoddiad efelychiad mecanyddol sefydlogrwydd y strwythur batri hyblyg. Mae Ffigur 2a yn dangos dosbarthiad straen ffoil copr ac alwminiwm wrth ei blygu i mewn i silindr (radian 180 °). Mae'r canlyniadau'n dangos bod straen ffoil copr a alwminiwm yn llawer is na'u cryfder cynnyrch, sy'n nodi na fydd yr anffurfiad hwn yn achosi dadffurfiad plastig. Gall y casglwr metel presennol osgoi difrod na ellir ei wrthdroi.

Mae Ffigur 2b yn dangos y dosbarthiad straen pan gynyddir gradd y plygu ymhellach, ac mae straen ffoil copr a ffoil alwminiwm hefyd yn llai na'u cryfder cynnyrch cyfatebol. Felly, gall y strwythur wrthsefyll anffurfiad plygu tra'n cynnal gwydnwch da. Yn ogystal ag anffurfiad plygu, gall y system gyflawni rhywfaint o ystumiad (Ffigur 2c).

Ar gyfer batris ag unedau silindrog, oherwydd nodweddion cynhenid ​​y cylch, gall gyflawni anffurfiad mwy difrifol a chymhleth. Felly, pan fydd y batri wedi'i blygu i 180o (Ffigur 2d, e), wedi'i ymestyn i tua 140% o'r hyd gwreiddiol (Ffigur 2f), a'i droelli i 90o (Ffigur 2g), gall gynnal sefydlogrwydd mecanyddol. Yn ogystal, pan fydd plygu + anffurfiannau troellog a throellog yn cael eu cymhwyso ar wahân, ni fydd y strwythur LIBs a ddyluniwyd yn achosi anffurfiad plastig di-droi'n-ôl o'r casglwr metel presennol o dan amrywiol anffurfiadau difrifol a chymhleth.

Ffigur 2 (ac) Canlyniadau efelychiad elfen feidraidd cell sgwâr o dan blygu, plygu a throelli; (di) Canlyniadau efelychiad elfen feidraidd cell silindrog o dan blygu, plygu, ymestyn, troelli, plygu + troelli a throellog.

Er mwyn gwerthuso perfformiad electrocemegol y batri hyblyg a ddyluniwyd, defnyddiwyd LiCoO2 fel y deunydd catod i brofi'r gallu rhyddhau a sefydlogrwydd beiciau. Fel y dangosir yn Ffigur 3a, nid yw cynhwysedd rhyddhau'r batri â chelloedd sgwâr yn cael ei leihau'n sylweddol ar ôl i'r awyren gael ei dadffurfio i blygu, ffonio, plygu a throi ar chwyddhad 1 C, sy'n golygu na fydd yr anffurfiad mecanyddol yn achosi dyluniad y batri hyblyg i fod yn electrocemegol Diferion perfformiad. Hyd yn oed ar ôl plygu deinamig (Ffigur 3c, d) a dirdro deinamig (Ffigur 3e, f), ac ar ôl nifer benodol o gylchoedd, nid oes gan y llwyfan codi tâl a gollwng a pherfformiad cylch hir unrhyw newidiadau amlwg, sy'n golygu bod strwythur mewnol y mae'r batri wedi'i warchod yn dda.

Ffigur 3 (a) Prawf gwefru a gollwng batri uned sgwâr o dan 1C; (b) Cromlin codi tâl a rhyddhau o dan amodau gwahanol; (c, d) O dan blygu deinamig, perfformiad cylch batri a chromlin tâl a rhyddhau cyfatebol; (e, f) O dan dirdro deinamig, mae perfformiad cylchred y batri a'r gromlin gwefr-rhyddhau cyfatebol o dan wahanol gylchoedd.

Mae'r canlyniadau dadansoddi efelychiad yn dangos bod diolch i nodweddion cynhenid ​​y cylch, gall y LIBs hyblyg gydag elfennau silindrog wrthsefyll anffurfiannau mwy eithafol a chymhleth. Felly, er mwyn dangos perfformiad electrocemegol LIBs hyblyg yr uned silindrog, cynhaliwyd y prawf ar gyfradd o 1 C, a ddangosodd, pan fydd y batri yn cael anffurfiannau amrywiol, nad oes bron unrhyw newid yn y perfformiad electrocemegol. Ni fydd yr anffurfiad yn achosi i'r gromlin foltedd newid (Ffigur 4a, b).

Er mwyn gwerthuso ymhellach sefydlogrwydd electrocemegol a gwydnwch mecanyddol y batri silindrog, rhoddodd y batri brawf llwyth awtomataidd deinamig ar gyfradd o 1 C. Dengys ymchwil, ar ôl ymestyn deinamig (Ffigur 4c, d), dirdro deinamig (Ffigur 4e, f) , a phlygu deinamig + dirdro (Ffigur 4g, h), ni effeithir ar berfformiad cylch tâl-rhyddhau batri a'r gromlin foltedd cyfatebol. Mae Ffigur 4i yn dangos perfformiad batri gydag uned storio ynni lliwgar. Mae'r cynhwysedd rhyddhau yn dadfeilio o 133.3 mAm g-1 i 129.9 mAh g-1, a dim ond 0.04% yw'r golled cynhwysedd fesul cylch, sy'n nodi na fydd anffurfiad yn effeithio ar ei sefydlogrwydd beicio a'i allu rhyddhau.

Ffigur 4 (a) Prawf cylch gwefru a rhyddhau o wahanol gyfluniadau o gelloedd silindrog ar 1 C; (b) Tâl cyfatebol a chromliniau rhyddhau'r batri o dan amodau gwahanol; (c, d) Perfformiad beicio a gwefr y batri o dan gromlin rhyddhau tensiwn deinamig; (e, f) perfformiad beicio'r batri o dan dirdro deinamig a'r gromlin gwefr-rhyddhau cyfatebol o dan wahanol gylchoedd; (e, h) perfformiad cylchred y batri o dan blygu deinamig + dirdro a'r gromlin gwefr-rhyddhau gyfatebol o dan wahanol gylchoedd; (I) Prawf gwefru a rhyddhau batris uned prismatig gyda gwahanol gyfluniadau ar 1 C.

Er mwyn gwerthuso cymhwysiad y batri hyblyg datblygedig yn ymarferol, mae'r awdur yn defnyddio batris llawn gyda gwahanol fathau o unedau storio ynni i bweru rhai cynhyrchion electronig masnachol, megis ffonau clust, smartwatches, cefnogwyr trydan mini, offerynnau cosmetig, a ffonau smart. Mae'r ddau yn ddigonol ar gyfer defnydd bob dydd, yn ymgorffori'n llawn botensial cymhwyso amrywiol gynhyrchion electronig hyblyg a gwisgadwy.

Mae Ffigur 5 yn cymhwyso'r batri a ddyluniwyd i ffonau clust, oriawr clyfar, cefnogwyr trydan bach, offer cosmetig, a ffonau smart. Mae'r batri hyblyg yn cyflenwi pŵer ar gyfer (a) ffonau clust, (b) oriawr clyfar, ac (c) gwyntyllau trydan bach; ( d ) yn cyflenwi pŵer ar gyfer offer cosmetig; (e) o dan amodau anffurfio gwahanol, mae'r batri hyblyg yn cyflenwi pŵer ar gyfer ffonau smart.

Crynodeb a rhagolygon

I grynhoi, mae'r erthygl hon wedi'i hysbrydoli gan strwythur cymalau dynol. Mae'n cynnig dull dylunio unigryw ar gyfer gweithgynhyrchu batri hyblyg gyda dwysedd ynni uchel, anffurfadwyedd lluosog, a gwydnwch. O'i gymharu â LIBs hyblyg traddodiadol, gall y dyluniad newydd hwn osgoi dadffurfiad plastig y casglwr metel presennol yn effeithiol. Ar yr un pryd, gall yr arwynebau crwm a gedwir ar ddau ben yr uned storio ynni a ddyluniwyd yn y papur hwn leddfu straen lleol y cydrannau rhyng-gysylltiedig yn effeithiol. Yn ogystal, gall gwahanol ddulliau dirwyn i ben newid siâp y pentwr, gan roi digon o anffurfiad i'r batri. Mae'r batri hyblyg yn arddangos sefydlogrwydd beicio rhagorol a gwydnwch mecanyddol diolch i'r dyluniad newydd ac mae ganddo ragolygon cymhwysiad helaeth mewn amrywiol gynhyrchion electronig hyblyg a gwisgadwy.

Cyswllt llenyddiaeth

Dyluniad strwythurol dynol wedi'i ysbrydoli gan y cyd ar gyfer batri plygu / plygadwy / ymestyn / troelladwy: cyflawni anffurfiad lluosog. (Amgylchedd Ynni. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)