By hoppt
Све већа потражња за електронским производима је последњих година промовисала брзи развој флексибилних уређаја за складиштење високе густине енергије. Флексибилне литијум-јонске батерије (ЛИБ) са високом густином енергије и стабилним електрохемијским перформансама сматрају се технологијом батерија која највише обећава за носиве електронске производе. Иако употреба танкослојних електрода и електрода на бази полимера драматично побољшава флексибилност ЛИБ-ова, постоје следећи проблеми:
(1) Већина флексибилних батерија је сложена помоћу „негативна електрода-сепаратор-позитивна електрода“, а њихова ограничена деформабилност и клизање између вишеслојних наслага ограничавају укупне перформансе ЛИБ-ова;
(2) Под неким тежим условима, као што су савијање, истезање, намотавање и сложена деформација, не може гарантовати перформансе батерије;
(3) Део стратегије дизајна занемарује деформацију тренутног металног колектора.
Стога, истовремено постизање благог угла савијања, вишеструких начина деформације, супериорне механичке издржљивости и велике густине енергије и даље се суочава са многим изазовима.
Недавно су професор Цхунии Зхи и др Цуипинг Хан са Градског универзитета у Хонг Конгу објавили рад под насловом „Структурни дизајн инспирисан људским зглобовима за савитљиве/преклопиве/ растезљиве/увртљиве батерије: постизање вишеструке деформабилности” на Енерги Енвирон-у. Сци. Овај рад је инспирисан структуром људских зглобова и дизајнирао је неку врсту флексибилних ЛИБ-ова сличних зглобном систему. На основу овог новог дизајна, припремљена, флексибилна батерија може постићи високу густину енергије и бити савијена или чак пресавијена за 180°. Истовремено, структурна структура се може мењати различитим методама намотавања тако да флексибилни ЛИБ имају богате могућности деформације, могу се применити на теже и сложеније деформације (намотавање и увијање), па чак и растегнути, а њихове могућности деформације су далеко изнад претходних извештаја о флексибилним ЛИБ-овима. Анализа симулације коначних елемената потврдила је да батерија пројектована у овом раду неће бити подвргнута неповратној пластичној деформацији струјног металног колектора под различитим оштрим и сложеним деформацијама. Истовремено, склопљена батерија квадратне јединице може да постигне густину енергије до 371.9 Вх/Л, што је 92.9% традиционалне меке батерије. Поред тога, може одржати стабилне перформансе циклуса чак и након више од 200,000 пута динамичког савијања и 25,000 пута динамичког изобличења.
Даља истраживања показују да састављена цилиндрична јединична ћелија може да издржи теже и сложеније деформације. После више од 100,000 динамичких истезања, 20,000 увијања и 100,000 деформација савијања, још увек може да постигне висок капацитет од више од 88% – стопу задржавања. Стога, флексибилни ЛИБ-ови предложени у овом раду пружају велику перспективу за практичну примену у електроници која се може носити.
1) Флексибилни ЛИБ, инспирисани људским зглобовима, могу одржати стабилне перформансе циклуса под деформацијама савијања, увијања, истезања и намотавања;
(2) Са квадратном флексибилном батеријом може постићи густину енергије до 371.9 Вх/Л, што је 92.9% традиционалне меке батерије;
(3) Различите методе намотавања могу променити облик батерије и дати батерији довољну деформабилност.
1. Дизајн новог типа бионичких флексибилних ЛИБ-ова
Истраживања су показала да, поред обезбеђивања велике запреминске густине енергије и сложеније деформације, конструктивни дизајн мора да избегне и пластичну деформацију струјног колектора. Симулација коначних елемената показује да би најбољи метод струјног колектора требало да буде да спречи да струјни колектор има мали радијус савијања током процеса савијања како би се избегла пластична деформација и неповратно оштећење струјног колектора.
Слика 1а приказује структуру људских зглобова, у којима паметно већа закривљена површина помаже зглобовима да се глатко ротирају. На основу овога, Слика 1б приказује типичну графитну аноду/дијафрагму/литијум кобалтат (ЛЦО) аноду, која се може намотати у четвртасту структуру дебелог слоја. На споју се састоји од два дебела крута стека и флексибилног дела. Што је још важније, дебела гомила има закривљену површину која је еквивалентна поклопцу зглобне кости, што помаже при притиску пуфера и обезбеђује примарни капацитет флексибилне батерије. Еластични део делује као лигамент, повезујући дебеле стекове и пружајући флексибилност (слика 1ц). Поред намотавања у квадратну гомилу, батерије са цилиндричним или троугластим ћелијама могу се произвести и променом начина намотавања (слика 1д). За флексибилне ЛИБ-ове са квадратним јединицама за складиштење енергије, међусобно повезани сегменти ће се котрљати дуж површине у облику лука током процеса савијања (слика 1е), чиме се значајно повећава густина енергије флексибилне батерије. Поред тога, кроз еластичну полимерну инкапсулацију, флексибилни ЛИБ са цилиндричним јединицама могу постићи растезљива и флексибилна својства (слика 1ф).
Слика 1 (а) Дизајн јединствене везе лигамента и закривљене површине је од суштинског значаја за постизање флексибилности; (б) Шематски дијаграм флексибилне структуре батерије и производног процеса; (ц) кост одговара дебљој групи електрода, а лигамент одмотаној (Д) Флексибилна структура батерије са цилиндричним и троугластим ћелијама; (е) Шематски дијаграм слагања квадратних ћелија; (ф) Деформација истезања цилиндричних ћелија.
2. Анализа симулације коначних елемената
Даља употреба анализе механичке симулације потврдила је стабилност флексибилне структуре батерије. Слика 2а приказује расподелу напона бакарне и алуминијумске фолије када се савијају у цилиндар (180° радијана). Резултати показују да је напон бакарне и алуминијумске фолије много мањи од њихове границе течења, што указује да ова деформација неће изазвати пластичну деформацију. Тренутни колектор метала може избећи неповратна оштећења.
На слици 2б приказана је расподела напрезања када се степен савијања даље повећава, а напон бакарне фолије и алуминијумске фолије је такође мањи од њихове одговарајуће границе течења. Стога, структура може издржати деформацију преклапања уз одржавање добре издржљивости. Поред деформације савијања, систем може постићи одређени степен изобличења (слика 2ц).
За батерије са цилиндричним јединицама, због својствених карактеристика круга, може постићи теже и сложеније деформације. Стога, када је батерија пресавијена на 180о (слика 2д, е), растегнута на око 140% првобитне дужине (слика 2ф) и уврнута на 90о (слика 2г), може одржати механичку стабилност. Поред тога, када се савијање + увијање и деформација намотаја примењују одвојено, пројектована ЛИБс структура неће изазвати неповратну пластичну деформацију тренутног металног колектора под различитим тешким и сложеним деформацијама.
Слика 2 (ац) Резултати симулације коначних елемената квадратне ћелије под савијањем, савијањем и увијањем; (ди) Резултати симулације коначних елемената цилиндричне ћелије под савијањем, савијањем, истезањем, увијањем, савијањем + увијањем и намотавањем.
3. Електрохемијске перформансе флексибилних ЛИБ-ова квадратне јединице за складиштење енергије
За процену електрохемијских перформанси дизајниране флексибилне батерије, ЛиЦоО2 је коришћен као катодни материјал за тестирање капацитета пражњења и стабилност циклуса. Као што је приказано на слици 3а, капацитет пражњења батерије са квадратним ћелијама није значајно смањен након што се раван деформише да се савија, прстена, савија и увија при увећању од 1 Ц, што значи да механичка деформација неће изазвати дизајн флексибилна батерија да буде електрохемијски Перформансе опадају. Чак и након динамичког савијања (слика 3ц, д) и динамичке торзије (слика 3е, ф), и након одређеног броја циклуса, платформа за пуњење и пражњење и перформансе дугог циклуса немају очигледне промене, што значи да унутрашња структура батерија је добро заштићена.
Слика 3 (а) Тест пуњења и пражњења батерије квадратне јединице испод 1Ц; (б) крива пуњења и пражњења под различитим условима; (ц, д) Под динамичким савијањем, перформансе циклуса батерије и одговарајућа крива пуњења и пражњења; (е, ф) Под динамичком торзијом, перформансе циклуса батерије и одговарајућа крива пуњења-пражњења у различитим циклусима.
4. Електрохемијске перформансе флексибилних ЛИБ-ова цилиндричне јединице за складиштење енергије
Резултати симулационе анализе показују да захваљујући својственим карактеристикама круга, флексибилни ЛИБ са цилиндричним елементима могу да издрже екстремније и сложеније деформације. Стога, да би се демонстрирали електрохемијске перформансе флексибилних ЛИБ-ова цилиндричне јединице, тест је спроведен при брзини од 1 Ц, што је показало да када батерија претрпи различите деформације, скоро да нема промене у електрохемијским перформансама. Деформација неће проузроковати промену криве напона (слика 4а, б).
Да би се додатно проценила електрохемијска стабилност и механичка издржљивост цилиндричне батерије, батерија је подвргнута динамичком аутоматском тесту оптерећења брзином од 1 Ц. Истраживања показују да након динамичког истезања (слика 4ц, д), динамичка торзија (слика 4е, ф) , и динамичко савијање + торзија (Слика 4г, х), перформансе циклуса пуњења-пражњења батерије и одговарајућа крива напона не утичу. Слика 4и приказује перформансе батерије са шареном јединицом за складиштење енергије. Капацитет пражњења опада са 133.3 мАм г-1 на 129.9 мАх г-1, а губитак капацитета по циклусу је само 0.04%, што указује да деформација неће утицати на његову стабилност циклуса и капацитет пражњења.
Слика 4 (а) Испитивање циклуса пуњења и пражњења различитих конфигурација цилиндричних ћелија на 1 Ц; (б) Одговарајуће криве пуњења и пражњења батерије у различитим условима; (ц, д) Перформансе циклуса и пуњење батерије под динамичким напоном Крива пражњења; (е, ф) перформансе циклуса батерије под динамичком торзијом и одговарајућу криву пуњења-пражњења у различитим циклусима; (г, х) перформансе циклуса батерије под динамичким савијањем + торзија и одговарајућа крива пуњења-пражњења у различитим циклусима; (И) Тест пуњења и пражњења призматичних јединица батерија различитих конфигурација на 1 Ц.
5. Примена флексибилних и носивих електронских производа
Да би проценио примену развијене флексибилне батерије у пракси, аутор користи пуне батерије са различитим типовима јединица за складиштење енергије за напајање неких комерцијалних електронских производа, као што су слушалице, паметни сатови, мини електрични вентилатори, козметички инструменти и паметни телефони. Оба су довољна за свакодневну употребу, у потпуности оличавају потенцијал примене различитих флексибилних и носивих електронских производа.
Слика 5 примењује дизајнирану батерију на слушалице, паметне сатове, мини електричне вентилаторе, козметичку опрему и паметне телефоне. Флексибилна батерија обезбеђује напајање за (а) слушалице, (б) паметне сатове и (ц) мини електричне вентилаторе; (д) снабдева струјом за козметичку опрему; (е) под различитим условима деформације, флексибилна батерија напаја паметне телефоне.
Укратко, овај чланак је инспирисан структуром људских зглобова. Предлаже јединствену методу дизајна за производњу флексибилне батерије високе густине енергије, вишеструке деформабилности и издржљивости. У поређењу са традиционалним флексибилним ЛИБ-овима, овај нови дизајн може ефикасно да избегне пластичну деформацију тренутног металног колектора. У исто време, закривљене површине резервисане на оба краја јединице за складиштење енергије дизајниране у овом раду могу ефикасно да ослободе локални стрес међусобно повезаних компоненти. Поред тога, различите методе намотавања могу променити облик наслага, дајући батерији довољну деформабилност. Флексибилна батерија показује одличну стабилност циклуса и механичку издржљивост захваљујући новом дизајну и има велике изгледе за примену у разним флексибилним и носивим електронским производима.
Конструкцијски дизајн инспирисан људским зглобовима за савитљиву/склопиву/растезљиву/увртљиву батерију: постизање вишеструке деформабилности. (Енерги Енвирон. Сци., 2021, ДОИ: 10.1039/Д1ЕЕ00480Х)
одговорите у року од 6 сати, сва питања су добродошла!
