Hong Kong CityU EES: baterie litiu-ion flexibilă inspirată de articulațiile umane

Contextul cercetării

Cererea tot mai mare de produse electronice a promovat în ultimii ani dezvoltarea rapidă a dispozitivelor de stocare flexibile și cu densitate mare de energie. Baterii flexibile litiu-ion (LIB) cu densitate mare de energie și performanță electrochimică stabilă sunt considerate cea mai promițătoare tehnologie a bateriei pentru produsele electronice portabile. Deși utilizarea electrozilor cu peliculă subțire și a electrozilor pe bază de polimer îmbunătățește dramatic flexibilitatea LIB-urilor, există următoarele probleme:

(1) Majoritatea bateriilor flexibile sunt stivuite de „electrod negativ-separator-pozitiv”, iar deformabilitatea lor limitată și alunecarea între stivele multistrat limitează performanța generală a LIB-urilor;

(2) În unele condiții mai severe, cum ar fi plierea, întinderea, înfășurarea și deformarea complexă, nu poate garanta performanța bateriei;

(3) O parte a strategiei de proiectare ignoră deformarea actualului colector de metal.

Prin urmare, realizarea simultană a unui unghi de îndoire ușor, a multiplelor moduri de deformare, a durabilității mecanice superioare și a densității mari de energie se confruntă în continuare cu multe provocări.

Introducere

Recent, profesorul Chunyi Zhi și dr. Cuiping Han de la Universitatea City din Hong Kong au publicat o lucrare intitulată „Proiect structural inspirat de articulații umane pentru baterie pliabilă/pliabilă/întindere/răsucibilă: obținerea deformabilității multiple” pe Energy Environ. Sci. Această lucrare a fost inspirată de structura articulațiilor umane și a proiectat un fel de LIB flexibile similare cu sistemul articulațiilor. Pe baza acestui design nou, bateria flexibilă pregătită poate atinge o densitate mare de energie și poate fi îndoită sau chiar pliată la 180°. În același timp, structura structurală poate fi modificată prin diferite metode de înfășurare, astfel încât LIB-urile flexibile să aibă capacități de deformare bogate, să poată fi aplicate la deformații mai severe și mai complexe (înfășurare și răsucire) și chiar să poată fi întinse, iar capacitățile lor de deformare sunt mult dincolo de rapoartele anterioare ale LIB-urilor flexibile. Analiza de simulare cu elemente finite a confirmat că bateria proiectată în această lucrare nu ar suferi deformații plastice ireversibile a colectorului de metal actual sub diferite deformații dure și complexe. În același timp, bateria unității pătrate asamblate poate atinge o densitate de energie de până la 371.9 Wh/L, ceea ce reprezintă 92.9% din bateria tradițională soft. În plus, poate menține performanța ciclului stabil chiar și după mai mult de 200,000 de ori de îndoire dinamică și de 25,000 de ori de distorsiune dinamică.

Cercetările ulterioare arată că celula unitară cilindrică asamblată poate rezista la deformații mai severe și mai complexe. După mai mult de 100,000 de întinderi dinamice, 20,000 de răsuciri și 100,000 de deformații la îndoire, poate atinge în continuare o capacitate mare de peste 88% - rata de retenție. Prin urmare, LIB-urile flexibile propuse în această lucrare oferă o perspectivă masivă pentru aplicații practice în electronicele portabile.

Cercetarea scoate în evidență

1) LIB-urile flexibile, inspirate de articulațiile umane, pot menține performanța stabilă a ciclului în cazul deformărilor de îndoire, răsucire, întindere și înfășurare;

(2) Cu o baterie pătrată flexibilă, poate atinge o densitate de energie de până la 371.9 Wh/L, ceea ce reprezintă 92.9% din bateria tradițională soft-pack;

(3) Diferite metode de înfășurare pot schimba forma stivei de baterii și pot oferi bateriei o deformabilitate suficientă.

Ghid grafic

Cercetările au arătat că, pe lângă asigurarea unei densități mari de energie de volum și deformare mai complexă, proiectarea structurală trebuie să evite și deformarea plastică a colectorului de curent. Simularea cu elemente finite arată că cea mai bună metodă a colectorului de curent ar trebui să fie prevenirea ca colectorul de curent să aibă o rază mică de îndoire în timpul procesului de îndoire pentru a evita deformarea plastică și deteriorarea ireversibilă a colectorului de curent.

Figura 1a arată structura articulațiilor umane, în care designul cu suprafață curbată inteligent mai mare ajută articulațiile să se rotească fără probleme. Pe baza acestui fapt, Figura 1b prezintă un anod/diafragmă/cobaltat de litiu (LCO) tipic din grafit, care poate fi înfășurat într-o structură de stivă pătrată groasă. La joncțiune, este format din două stive groase rigide și o parte flexibilă. Mai important, stiva groasă are o suprafață curbată echivalentă cu capacul osului articular, care ajută la presiunea tampon și asigură capacitatea primară a bateriei flexibile. Partea elastică acționează ca un ligament, conectând stive groase și oferind flexibilitate (Figura 1c). Pe lângă înfășurarea într-o grămadă pătrată, bateriile cu celule cilindrice sau triunghiulare pot fi fabricate și prin schimbarea metodei de înfășurare (Figura 1d). Pentru LIB-urile flexibile cu unități de stocare a energiei pătrate, segmentele interconectate se vor rostogoli de-a lungul suprafeței în formă de arc a stivei groase în timpul procesului de îndoire (Figura 1e), crescând astfel semnificativ densitatea de energie a bateriei flexibile. În plus, prin încapsularea polimerului elastic, LIB-urile flexibile cu unități cilindrice pot obține proprietăți extensibile și flexibile (Figura 1f).

Figura 1 (a) Proiectarea conexiunii ligamentare unice și a suprafeței curbate este esențială pentru a obține flexibilitate; (b) Diagrama schematică a structurii flexibile a bateriei și a procesului de fabricație; (c) osul corespunde unei stive mai groase de electrozi, iar ligamentul corespunde unui derulat (D) Structură flexibilă a bateriei cu celule cilindrice și triunghiulare; (e) Diagrama schematică de stivuire a celulelor pătrate; (f) Deformarea prin întindere a celulelor cilindrice.

Utilizarea în continuare a analizei de simulare mecanică a confirmat stabilitatea structurii flexibile a bateriei. Figura 2a arată distribuția tensiunilor de cupru și folie de aluminiu atunci când sunt îndoite într-un cilindru (180° radian). Rezultatele arată că solicitarea cuprului și a foliei de aluminiu este mult mai mică decât limita de curgere a acestora, ceea ce indică faptul că această deformare nu va provoca deformare plastică. Colectorul de metal actual poate evita deteriorarea ireversibilă.

Figura 2b arată distribuția tensiunilor atunci când gradul de îndoire este crescut în continuare, iar tensiunea foliei de cupru și a foliei de aluminiu este, de asemenea, mai mică decât limita de curgere a acestora. Prin urmare, structura poate rezista la deformarea plierii, menținând în același timp o durabilitate bună. Pe lângă deformarea la îndoire, sistemul poate atinge un anumit grad de distorsiune (Figura 2c).

Pentru bateriile cu unități cilindrice, datorită caracteristicilor inerente ale cercului, se poate obține o deformare mai severă și mai complexă. Prin urmare, atunci când bateria este pliată la 180o (Figura 2d, e), întinsă la aproximativ 140% din lungimea inițială (Figura 2f) și răsucită la 90o (Figura 2g), poate menține stabilitatea mecanică. În plus, atunci când îndoirea + răsucirea și deformarea înfășurării sunt aplicate separat, structura LIB proiectată nu va provoca deformarea plastică ireversibilă a colectorului de metal actual sub diferite deformații severe și complexe.

Figura 2 (ac) Rezultatele simulării cu elemente finite ale unei celule pătrate sub îndoire, pliere și răsucire; (di) Rezultatele simularii cu elemente finite ale unei celule cilindrice sub îndoire, pliere, întindere, răsucire, îndoire + răsucire și înfășurare.

Pentru a evalua performanța electrochimică a bateriei flexibile proiectate, LiCoO2 a fost folosit ca material catod pentru a testa capacitatea de descărcare și stabilitatea ciclului. După cum se arată în Figura 3a, capacitatea de descărcare a bateriei cu celule pătrate nu este redusă semnificativ după ce planul este deformat pentru a se îndoi, inel, pliat și răsucit la o mărire de 1 C, ceea ce înseamnă că deformarea mecanică nu va determina proiectarea bateria flexibilă să fie electrochimic Performanța scade. Chiar și după îndoirea dinamică (Figura 3c, d) și torsiune dinamică (Figura 3e, f) și după un anumit număr de cicluri, platforma de încărcare și descărcare și performanța pe ciclu lung nu au modificări aparente, ceea ce înseamnă că structura internă a bateria este bine protejata.

Figura 3 (a) Testul de încărcare și descărcare a bateriei unității pătrate sub 1C; (b) Curba de încărcare și descărcare în condiții diferite; (c, d) În condiții de îndoire dinamică, performanța ciclului bateriei și curba de încărcare și descărcare corespunzătoare; (e, f) Sub torsiune dinamică, performanța ciclului bateriei și curba corespunzătoare încărcare-descărcare în diferite cicluri.

Rezultatele analizei simulării arată că datorită caracteristicilor inerente ale cercului, LIB-urile flexibile cu elemente cilindrice pot rezista la deformații mai extreme și mai complexe. Prin urmare, pentru a demonstra performanța electrochimică a LIB-urilor flexibile ale unității cilindrice, testul a fost efectuat la o rată de 1 C, ceea ce a arătat că atunci când bateria suferă diferite deformări, nu există aproape nicio modificare a performanței electrochimice. Deformarea nu va determina modificarea curbei de tensiune (Figura 4a, b).

Pentru a evalua în continuare stabilitatea electrochimică și durabilitatea mecanică a bateriei cilindrice, aceasta a supus bateria unui test de sarcină automată dinamică la o rată de 1 C. Cercetările arată că, după întinderea dinamică (Figura 4c, d), torsiune dinamică (Figura 4e, f) , și îndoire dinamică + torsiune (Figura 4g, h), performanța ciclului de încărcare-descărcare a bateriei și curba de tensiune corespunzătoare nu sunt afectate. Figura 4i arată performanța unei baterii cu o unitate colorată de stocare a energiei. Capacitatea de descărcare scade de la 133.3 mAm g-1 la 129.9 mAh g-1, iar pierderea de capacitate pe ciclu este de numai 0.04%, ceea ce indică faptul că deformarea nu va afecta stabilitatea ciclului și capacitatea de descărcare.

Figura 4 (a) Testul ciclului de încărcare și descărcare a diferitelor configurații de celule cilindrice la 1 C; (b) Curbele de încărcare și descărcare corespunzătoare ale bateriei în diferite condiții; (c, d) Performanța ciclului și încărcarea bateriei sub tensiune dinamică Curba de descărcare; (e, f) performanța ciclului bateriei la torsiune dinamică și curba corespunzătoare încărcare-descărcare în diferite cicluri; (g, h) performanța ciclului bateriei la îndoire dinamică + torsiune și curba corespunzătoare încărcare-descărcare în diferite cicluri; (I) Testul de încărcare și descărcare a bateriilor unității prismatice cu diferite configurații la 1 C.

Pentru a evalua aplicarea în practică a bateriei flexibile dezvoltate, autorul folosește baterii pline cu diferite tipuri de unități de stocare a energiei pentru a alimenta unele produse electronice comerciale, cum ar fi căști, ceasuri inteligente, mini ventilatoare electrice, instrumente cosmetice și telefoane inteligente. Ambele sunt suficiente pentru utilizarea de zi cu zi, întruchipează pe deplin potențialul de aplicare al diferitelor produse electronice flexibile și portabile.

Figura 5 aplică bateria proiectată la căști, ceasuri inteligente, mini ventilatoare electrice, echipamente cosmetice și smartphone-uri. Bateria flexibilă furnizează energie pentru (a) căști, (b) ceasuri inteligente și (c) mini ventilatoare electrice; (d) furnizează energie pentru echipamente cosmetice; (e) în diferite condiții de deformare, bateria flexibilă furnizează energie pentru smartphone-uri.

Rezumat și perspective

Pe scurt, acest articol este inspirat de structura articulațiilor umane. Propune o metodă unică de proiectare pentru fabricarea unei baterii flexibile cu densitate mare de energie, deformabilitate multiplă și durabilitate. În comparație cu LIB-urile flexibile tradiționale, acest nou design poate evita în mod eficient deformarea plastică a actualului colector de metal. În același timp, suprafețele curbe rezervate la ambele capete ale unității de stocare a energiei proiectate în această lucrare pot ameliora eficient stresul local al componentelor interconectate. În plus, diferite metode de înfășurare pot schimba forma stivei, oferind bateriei o deformabilitate suficientă. Bateria flexibilă prezintă o stabilitate excelentă a ciclului și durabilitate mecanică datorită designului nou și are perspective extinse de aplicare în diverse produse electronice flexibile și portabile.

Legătură cu literatură

Design structural inspirat de articulații umane pentru baterie pliabilă/pliabilă/extensabilă/rustică: obținerea deformabilității multiple. (Mediu energetic. Știință., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)