Hong Kong CityU EES: Paindlik liitiumioonaku, mis on inspireeritud inimese liigestest

Uurimistöö taust

Kasvav nõudlus elektroonikatoodete järele on viimastel aastatel soodustanud paindlike ja suure energiatihedusega salvestusseadmete kiiret arengut. Paindlikud liitiumioonakud Kõrge energiatiheduse ja stabiilse elektrokeemilise jõudlusega (LIB-sid) peetakse kantavate elektroonikatoodete kõige lootustandvamaks akutehnoloogiaks. Kuigi õhukese kile elektroodide ja polümeeripõhiste elektroodide kasutamine parandab oluliselt LIB-de paindlikkust, on järgmised probleemid:

(1) Enamik painduvaid patareisid on virnastatud "negatiivse elektrood-eraldaja-positiivse elektroodiga" ning nende piiratud deformeeritavus ja mitmekihiliste virnade vahel libisemine piiravad LIB-de üldist jõudlust;

(2) Mõnedes raskemates tingimustes, nagu voltimine, venitamine, mähkimine ja keeruline deformatsioon, ei saa see tagada aku jõudlust;

(3) Osa projekteerimisstrateegiast eirab praeguse metallikollektori deformatsiooni.

Seetõttu on selle väikese paindenurga, mitme deformatsioonirežiimi, suurepärase mehaanilise vastupidavuse ja suure energiatiheduse samaaegne saavutamine endiselt silmitsi paljude väljakutsetega.

Sissejuhatus

Hiljuti avaldasid Hongkongi linnaülikooli professor Chunyi Zhi ja dr Cuiping Han Energy Environi artikli pealkirjaga "Inimese liigestest inspireeritud struktuurne disain painutatavale/volditavale/venitatavale/keeratavale akule: mitmekordse deformeeritavuse saavutamine". Sci. See töö oli inspireeritud inimese liigeste struktuurist ja kujundas omamoodi painduvad LIB-d, mis sarnanevad liigeste süsteemiga. Selle uudse konstruktsiooni põhjal võib ettevalmistatud painduv aku saavutada suure energiatiheduse ning seda võib painutada või isegi kokku panna 180°. Samal ajal saab konstruktsiooni struktuuri muuta erinevate mähismeetodite abil, nii et painduvatel LIB-del on rikkalik deformatsioonivõime, neid saab rakendada raskemate ja keerukamate deformatsioonide korral (mähkimine ja keerdumine) ning neid saab isegi venitada ning nende deformatsioonivõime on suurem. palju kaugemale varasematest paindlike LIB-de aruannetest. Lõplike elementide simulatsioonianalüüs kinnitas, et käesolevas artiklis kavandatud aku ei läbi erinevate karmide ja keerukate deformatsioonide korral praeguse metallikollektori pöördumatut plastilist deformatsiooni. Samal ajal võib kokkupandud ruudukujulise aku energiatihedust saavutada kuni 371.9 Wh/L, mis on 92.9% traditsioonilisest pehmest akust. Lisaks suudab see säilitada stabiilse tsükli jõudluse isegi pärast enam kui 200,000 25,000 korda dünaamilist painutamist ja XNUMX XNUMX korda dünaamilisi moonutusi.

Edasised uuringud näitavad, et kokkupandud silindriline elementelement talub raskemaid ja keerukamaid deformatsioone. Pärast enam kui 100,000 20,000 dünaamilist venitamist, 100,000 88 keerdumist ja XNUMX XNUMX painutusdeformatsiooni suudab see siiski saavutada suure, üle XNUMX% -lise peetumiskiiruse. Seetõttu pakuvad selles dokumendis välja pakutud paindlikud LIB-id tohutu väljavaate kantava elektroonika praktilisteks rakendusteks.

Teadusuuringute esiletõstmine

1) Inimese liigestest inspireeritud painduvad LIB-d suudavad säilitada stabiilse tsükli jõudluse painde, keerdumise, venitamise ja mähise deformatsioonide korral;

(2) Ruudukujulise painduva akuga võib see saavutada energiatiheduse kuni 371.9 Wh/L, mis on 92.9% traditsioonilisest pehmest akust;

(3) Erinevad mähimismeetodid võivad muuta akuvirna kuju ja anda akule piisava deformeeritavuse.

Graafiline juhend

Uuringud on näidanud, et lisaks suure mahulise energiatiheduse ja keerukamate deformatsioonide tagamisele peab konstruktsiooni projekteerimine vältima ka voolukollektori plastilist deformatsiooni. Lõplike elementide simulatsioon näitab, et voolukollektori plastse deformatsiooni ja pöördumatute kahjustuste vältimiseks peaks voolukollektori parim meetod olema vältida voolukollektori väikese painderaadiuse tekkimist paindeprotsessi ajal.

Joonisel 1a on kujutatud inimese liigeste ehitust, mille puhul nutikalt suurem kaarjas pinnakujundus aitab liigestel sujuvalt pöörlema ​​hakata. Selle põhjal on joonisel fig 1b kujutatud tüüpilist grafiidianoodi/membraani/liitiumkobaltaadi (LCO) anoodi, mille saab kerida ruudukujuliseks paksuks virnastruktuuriks. Ristmikul koosneb see kahest paksust jäigast virnast ja painduvast osast. Veelgi olulisem on see, et paksul virnal on liigese luu kattega samaväärne kumer pind, mis aitab kaasa puhvri survele ja tagab painduva aku esmase mahutavuse. Elastne osa toimib sidemena, ühendades paksud virnad ja pakkudes paindlikkust (joonis 1c). Silindriliste või kolmnurksete elementidega akusid saab lisaks ruudukujuliseks hunnikuks kerimisele valmistada ka kerimismeetodit muutes (joonis 1d). Ruudukujuliste energiasalvestusseadmetega painduvate LIB-de puhul veerevad omavahel ühendatud segmendid painutusprotsessi ajal mööda paksu virna kaarekujulist pinda (joonis 1e), suurendades seeläbi märkimisväärselt painduva aku energiatihedust. Lisaks saavad elastse polümeeri kapseldamise abil silindriliste üksustega painduvad LIB-d saavutada venitatavad ja painduvad omadused (joonis 1f).

Joonis 1 (a) Ainulaadne sidemeühendus ja kumer pind on paindlikkuse saavutamiseks hädavajalikud; (b) Painduva aku struktuuri ja tootmisprotsessi skemaatiline diagramm; (c) luu vastab paksemale elektroodivirnale ja sidemele vastab lahtirullitud (D) Paindlik aku struktuur silindriliste ja kolmnurksete elementidega; (e) ruudukujuliste lahtrite virnastamise skemaatiline diagramm; (f) Silindriliste rakkude venitusdeformatsioon.

Mehaanilise simulatsioonianalüüsi edasine kasutamine kinnitas painduva aku struktuuri stabiilsust. Joonisel 2a on kujutatud vase ja alumiiniumfooliumi pingejaotus silindriks painutamisel (180° radiaan). Tulemused näitavad, et vase ja alumiiniumfooliumi pinge on nende voolavuspiirist palju väiksem, mis näitab, et see deformatsioon ei põhjusta plastilist deformatsiooni. Praegune metallikollektor võib vältida pöördumatuid kahjustusi.

Joonisel fig 2b on näidatud pingejaotus, kui painutusastet veelgi suurendatakse, ning vaskfooliumi ja alumiiniumfooliumi pinge on samuti väiksem kui nende vastav voolavuspiir. Seetõttu talub konstruktsioon voltimisdeformatsiooni, säilitades samas hea vastupidavuse. Lisaks paindedeformatsioonile võib süsteem saavutada teatud moonutusastme (joonis 2c).

Silindriliste üksustega akude puhul võib see ringile omaste omaduste tõttu saavutada raskema ja keerukama deformatsiooni. Seega, kui aku on kokku volditud 180o (joonis 2d, e), venitatud umbes 140%ni algsest pikkusest (joonis 2f) ja keeratud 90o (joonis 2g), suudab see säilitada mehaanilise stabiilsuse. Lisaks, kui painutamist + keerdumist ja mähise deformatsiooni rakendatakse eraldi, ei põhjusta kavandatud LIB-struktuur praeguse metallkollektori pöördumatut plastilist deformatsiooni erinevate raskete ja keerukate deformatsioonide korral.

Joonis 2 (ac) ruudukujulise lahtri lõplike elementide simulatsiooni tulemused painutamise, voltimise ja keeramise ajal; (di) Silindrilise raku lõplike elementide simulatsiooni tulemused painutamise, voltimise, venitamise, keeramise, painutamise + keerdumise ja mähimise ajal.

Kavandatud painduva aku elektrokeemilise jõudluse hindamiseks kasutati tühjendusvõime ja tsükli stabiilsuse testimiseks katoodmaterjalina LiCoO2. Nagu on näidatud joonisel 3a, ei vähene ruudukujuliste elementidega aku tühjendusvõime oluliselt pärast seda, kui tasapind on 1 C suurendusel painutamiseks, rõngastamiseks, voltimiseks ja väänamiseks deformeeritud, mis tähendab, et mehaaniline deformatsioon ei põhjusta painduv aku tuleb elektrokeemiliselt Jõudlus langeb. Isegi pärast dünaamilist painutamist (joonis 3c, d) ja dünaamilist väändumist (joonis 3e, f) ning pärast teatud arvu tsükleid ei ole laadimis- ja tühjendusplatvormil ning pika tsükli toimivusel ilmseid muutusi, mis tähendab, et aku on hästi kaitstud.

Joonis 3 (a) Ruutühiku aku laadimise ja tühjenemise katse temperatuuril 1C; b) laadimis- ja tühjenduskõver erinevates tingimustes; c, d) dünaamilise painde korral aku tsükli jõudlus ja vastav laadimis- ja tühjenemiskõver; (e, f) Dünaamilise torsiooni korral aku tsükli jõudlus ja vastav laadimis-tühjenemise kõver erinevatel tsüklitel.

Simulatsioonianalüüsi tulemused näitavad, et tänu ringile omastele omadustele taluvad silindriliste elementidega painduvad LIB-d äärmuslikumaid ja keerukamaid deformatsioone. Seetõttu viidi silindrilise üksuse painduvate LIB-de elektrokeemilise jõudluse demonstreerimiseks katse läbi kiirusega 1 C, mis näitas, et kui aku läbib erinevaid deformatsioone, ei muutu elektrokeemiline jõudlus peaaegu üldse. Deformatsioon ei põhjusta pingekõvera muutumist (joonis 4a, b).

Silindrilise aku elektrokeemilise stabiilsuse ja mehaanilise vastupidavuse edasiseks hindamiseks läbis see aku dünaamilise automaatse koormustesti kiirusega 1 C. Uuringud näitavad, et pärast dünaamilist venitamist (joonis 4c, d) tekkis dünaamiline torsioon (joonis 4e, f). , ja dünaamiline painutamine + vääne (joonis 4g, h), ei mõjuta aku laadimis-tühjenemise tsükli jõudlust ega vastavat pingekõverat. Joonis 4i näitab värvilise energiasalvestusseadmega aku jõudlust. Tühjendusvõimsus väheneb 133.3 mAm g-1-lt 129.9 mAh g-1-le ja võimsuse kadu tsükli kohta on vaid 0.04%, mis näitab, et deformatsioon ei mõjuta selle tsükli stabiilsust ja tühjenemisvõimet.

Joonis 4 a) erineva konfiguratsiooniga silindriliste elementide laadimis- ja tühjendustsükli katse temperatuuril 1 °C; b) aku vastavad laadimis- ja tühjenemiskõverad erinevates tingimustes; (c, d) tsükli jõudlus ja aku laadimine dünaamilise pinge all Tühjenemiskõver; e, f) aku tsükli jõudlus dünaamilise väände korral ja vastav laadimis-tühjenemise kõver erinevatel tsüklitel; g, h) aku tsükli jõudlus dünaamilise painde + väände korral ja vastav laadimis-tühjenemise kõver erinevatel tsüklitel; (I) Erineva konfiguratsiooniga prismaseadme akude laadimise ja tühjenemise test temperatuuril 1 C.

Et hinnata välja töötatud painduva aku praktikas rakendamist, kasutab autor teatud tüüpi elektroonikaseadmete toiteks täisakusid koos erinevat tüüpi energiasalvestitega, nagu kõrvaklapid, nutikellad, mini-elektriventilaatorid, kosmeetikainstrumendid ja nutitelefonid. Mõlemad on igapäevaseks kasutamiseks piisavad, kehastavad täielikult erinevate paindlike ja kantavate elektroonikatoodete kasutuspotentsiaali.

Joonis 5 rakendab disainitud akut kõrvaklappidele, nutikelladele, mini-elektriventilaatoritele, kosmeetikaseadmetele ja nutitelefonidele. Paindlik aku annab toite (a) kõrvaklappidele, (b) nutikelladele ja (c) mini-elektriventilaatoritele; d) varustab kosmeetikaseadmete toidet; e) erinevate deformatsioonitingimuste korral annab paindlik aku nutitelefonidele toite.

Kokkuvõte ja väljavaated

Kokkuvõttes on see artikkel inspireeritud inimese liigeste ehitusest. See pakub välja ainulaadse disainimeetodi suure energiatiheduse, mitmekordse deformeeritavuse ja vastupidavusega painduva aku tootmiseks. Võrreldes traditsiooniliste painduvate LIB-dega võib see uus disain tõhusalt vältida praeguse metallikollektori plastilist deformatsiooni. Samal ajal võivad selles paberis kavandatud energiasalvesti mõlemas otsas reserveeritud kumerad pinnad tõhusalt leevendada omavahel ühendatud komponentide kohalikku pinget. Lisaks võivad erinevad mähimismeetodid muuta virna kuju, andes akule piisava deformeeritavuse. Tänu uudsele disainile on painduv aku suurepärane tsükli stabiilsus ja mehaaniline vastupidavus ning sellel on laialdased kasutusvõimalused erinevates paindlikes ja kantavates elektroonikatoodetes.

Kirjanduse link

Inimese liigestest inspireeritud struktuurne konstruktsioon painutatava/volditava/venitava/keeratava aku jaoks: mitmekordse deformeeritavuse saavutamine. (Energiakeskkond. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)