Hong Kong CityU EES: Joustava litiumioniakku, joka on saanut inspiraationsa ihmisen nivelistä

Tutkimuksen tausta

Elektroniikkatuotteiden kasvava kysyntä on edistänyt joustavien ja korkean energiatiheyden tallennuslaitteiden nopeaa kehitystä viime vuosina. Joustavat litiumioniakut (LIB:t), joilla on korkea energiatiheys ja vakaa sähkökemiallinen suorituskyky, pidetään lupaavimpana akkuteknologiana puettavissa elektroniikkatuotteissa. Vaikka ohutkalvoelektrodien ja polymeeripohjaisten elektrodien käyttö parantaa dramaattisesti LIB:iden joustavuutta, on seuraavat ongelmat:

(1) Useimmat taipuisat akut pinotaan "negatiivinen elektrodierotin-positiivinen elektrodi", ja niiden rajoitettu muodonmuutos ja liukuminen monikerroksisten pinojen välillä rajoittaa LIB:iden yleistä suorituskykyä;

(2) Joissakin ankarammissa olosuhteissa, kuten taittaminen, venyminen, käämitys ja monimutkainen muodonmuutos, se ei voi taata akun suorituskykyä;

(3) Osa suunnittelustrategiasta jättää huomiotta nykyisen metallinkerääjän muodonmuutoksen.

Siksi sen pienen taivutuskulman, useiden muodonmuutostilojen, erinomaisen mekaanisen kestävyyden ja suuren energiatiheyden saavuttaminen samanaikaisesti saavuttaa monia haasteita.

esittely

Professori Chunyi Zhi ja tohtori Cuiping Han Hongkongin kaupunginyliopistosta julkaisivat äskettäin artikkelin "Ihmisen nivelen inspiroima rakennesuunnittelu taivutettavalle/taitettavalle/joustavalle/kiertyvälle akulle: moninkertaisen deformaation saavuttaminen" Energy Environissa. Sci. Tämä työ sai inspiraationsa ihmisen nivelten rakenteesta ja suunnitteli eräänlaisia ​​joustavia LIB:itä, jotka muistuttavat niveljärjestelmää. Tämän uudenlaisen suunnittelun perusteella valmistettu, joustava akku voi saavuttaa korkean energiatiheyden ja olla taivutettu tai jopa taitettu 180°. Samanaikaisesti rakennerakennetta voidaan muuttaa erilaisilla käämitysmenetelmillä siten, että taipuisilla LIB:illä on runsaasti muodonmuutoksia, niitä voidaan soveltaa vakavampiin ja monimutkaisempiin muodonmuutoksiin (käämitys ja kiertyminen) ja niitä voidaan jopa venyttää, ja niiden muodonmuutosominaisuudet ovat paljon pidemmälle kuin aiemmat joustavien LIB-raportit. Äärellisten elementtien simulaatioanalyysi vahvisti, että tässä artikkelissa suunniteltu akku ei joutuisi peruuttamattomaan nykyisen metallinkeräimen plastiseen muodonmuutokseen erilaisissa kovissa ja monimutkaisissa muodonmuutoksissa. Samanaikaisesti koottu neliöyksikköakku voi saavuttaa jopa 371.9 Wh/L:n energiatiheyden, mikä on 92.9 % perinteisestä softpackusta. Lisäksi se voi säilyttää vakaan syklin suorituskyvyn jopa yli 200,000 25,000-kertaisen dynaamisen taivutuksen ja XNUMX XNUMX-kertaisen dynaamisen vääristymän jälkeen.

Lisätutkimukset osoittavat, että koottu sylinterimäinen yksikkökenno kestää vakavampia ja monimutkaisempia muodonmuutoksia. Yli 100,000 20,000 dynaamisen venytyksen, 100,000 88 kierteen ja XNUMX XNUMX taivutusmuodonmuutoksen jälkeen se voi silti saavuttaa korkean kapasiteetin, yli XNUMX % – retentionopeuden. Siksi tässä asiakirjassa ehdotetut joustavat LIB:t tarjoavat valtavan mahdollisuuden käytännön sovelluksiin puettavassa elektroniikassa.

Tutkimuksen kohokohdat

1) Joustavat LIB:t, jotka ovat saaneet inspiraationsa ihmisen nivelistä, voivat säilyttää vakaan syklin suorituskyvyn taipumisen, vääntymisen, venytyksen ja käämityksen muodonmuutoksissa;

(2) Neliön muotoisella joustavalla akulla se voi saavuttaa jopa 371.9 Wh/l:n energiatiheyden, mikä on 92.9 % perinteisestä softpack-akusta;

(3) Erilaiset käämitysmenetelmät voivat muuttaa akkupinon muotoa ja antaa akulle riittävän muotoutuvuuden.

Graafinen opas

Tutkimus on osoittanut, että sen lisäksi, että varmistetaan suuri volyymienergiatiheys ja monimutkaisempi muodonmuutos, rakennesuunnittelussa on myös vältettävä virrankerääjän plastista muodonmuutosta. Elementtisimulaatio osoittaa, että virrankeräimen paras menetelmä tulisi olla estää virrankerääjän pieni taivutussäde taivutusprosessin aikana, jotta vältetään virrankeräimen plastiset muodonmuutokset ja peruuttamattomat vauriot.

Kuvassa 1a on esitetty ihmisen nivelten rakenne, jossa taitavasti suurempi kaareva pintarakenne auttaa niveliä pyörimään tasaisesti. Tämän perusteella kuvassa 1b on esitetty tyypillinen grafiittianodi/kalvo/litiumkobaltaatti (LCO) anodi, joka voidaan kääriä neliön paksuiseksi pinorakenteeksi. Risteyksessä se koostuu kahdesta paksusta jäykästä pinosta ja joustavasta osasta. Vielä tärkeämpää on, että paksussa pinossa on kaareva pinta, joka vastaa nivelen luun kantta, mikä auttaa puskuroimaan painetta ja tarjoaa joustavan akun ensisijaisen kapasiteetin. Joustava osa toimii nivelsiteenä, joka yhdistää paksut pinot ja tarjoaa joustavuutta (kuva 1c). Neliömäiseksi pinoksi kelaamisen lisäksi voidaan valmistaa lieriömäisiä tai kolmiomaisia ​​paristoja myös käämitystapaa vaihtamalla (kuva 1d). Joustavissa LIB:issä, joissa on neliömäiset energiavarastoyksiköt, toisiinsa yhdistetyt segmentit pyörivät paksun pinon kaaren muotoista pintaa pitkin taivutusprosessin aikana (kuva 1e), mikä lisää merkittävästi joustavan akun energiatiheyttä. Lisäksi joustavan polymeerikapseloinnin avulla joustavat LIB:t, joissa on sylinterimäiset yksiköt, voivat saavuttaa venyviä ja joustavia ominaisuuksia (kuva 1f).

Kuva 1 (a) Ainutlaatuisen nivelsiteen ja kaarevan pinnan suunnittelu on välttämätöntä joustavuuden saavuttamiseksi; (b) Kaaviokuva joustavasta akun rakenteesta ja valmistusprosessista; (c) luu vastaa paksumpaa elektrodipinoa ja nivelsite vastaa rullaamatonta (D) Joustava akkurakenne, jossa on sylinterimäisiä ja kolmiomaisia ​​kennoja; (e) Neliömäisten solujen pinoamiskaavio; (f) Sylinterimäisten kennojen venyvä muodonmuutos.

Mekaanisen simulaatioanalyysin lisäkäyttö vahvisti joustavan akun rakenteen vakauden. Kuvassa 2a on esitetty kuparin ja alumiinifolion jännitysjakauma sylinteriksi taivutettuna (180° radiaani). Tulokset osoittavat, että kuparin ja alumiinifolion jännitys on paljon pienempi kuin niiden myötöraja, mikä osoittaa, että tämä muodonmuutos ei aiheuta plastista muodonmuutosta. Nykyinen metallinkerääjä voi välttää peruuttamattomia vaurioita.

Kuvassa 2b on esitetty jännitysjakauma, kun taivutusastetta edelleen nostetaan, ja myös kuparifolion ja alumiinifolion jännitys on pienempi kuin vastaava myötöraja. Siksi rakenne kestää taittuvan muodonmuutoksen säilyttäen samalla hyvän kestävyyden. Taivutusmuodonmuutosten lisäksi järjestelmä voi saavuttaa tietyn tason vääristymisen (kuva 2c).

Akuissa, joissa on sylinterimäiset yksiköt, ympyrän luontaisten ominaisuuksien vuoksi se voi saavuttaa vakavamman ja monimutkaisemman muodonmuutoksen. Siksi, kun akku taitetaan 180 asteeseen (kuva 2d, e), venytetään noin 140 prosenttiin alkuperäisestä pituudesta (kuva 2f) ja kierretään 90 asteeseen (kuva 2g), se voi säilyttää mekaanisen vakauden. Lisäksi kun taivutus + vääntyminen ja käämityksen muodonmuutos käytetään erikseen, suunniteltu LIB-rakenne ei aiheuta palautumatonta plastista muodonmuutosta nykyiseen metallikeräimeen erilaisissa vakavissa ja monimutkaisissa muodonmuutoksissa.

Kuva 2 (ac) Neliömäisen solun äärelliselementtisimulaatiotulokset taivutettaessa, taivutettaessa ja vääntymässä; (di) Lieriömäisen kennon äärelliselementtisimulaatiotulokset taivutettaessa, taivutettaessa, venytetyssä, vääntymässä, taivutuksessa + kierteessä ja käämityksen aikana.

Suunnitellun joustavan akun sähkökemiallisen suorituskyvyn arvioimiseksi katodimateriaalina käytettiin LiCoO2:ta purkauskapasiteetin ja syklin stabiilisuuden testaamiseen. Kuten kuvasta 3a näkyy, neliömäisten kennojen akun purkauskapasiteetti ei vähene merkittävästi sen jälkeen, kun taso on vääntynyt taipumaan, rengastamaan, taitettu ja kierretty 1 C suurennuksella, mikä tarkoittaa, että mekaaninen muodonmuutos ei aiheuta akun suunnittelua. joustava akku on sähkökemiallisesti Suorituskyky putoaa. Jopa dynaamisen taivutuksen (kuva 3c, d) ja dynaamisen vääntö (kuva 3e, f) jälkeen ja tietyn jaksomäärän jälkeen lataus- ja purkausalustalla ja pitkän syklin suorituskyvyllä ei ole näkyviä muutoksia, mikä tarkoittaa, että akku on hyvin suojattu.

Kuva 3 (a) Neliömäisen yksikön akun lataus- ja purkaustesti alle 1C:ssa; (b) lataus- ja purkukäyrä eri olosuhteissa; (c, d) Dynaamisen taivutuksen alaisena akun syklin suorituskyky ja vastaava lataus- ja purkauskäyrä; (e, f) Dynaamisen vääntövoiman alaisena akun syklin suorituskyky ja vastaava lataus-purkauskäyrä eri sykleissä.

Simulaatioanalyysin tulokset osoittavat, että ympyrän luontaisten ominaisuuksien ansiosta joustavat LIB:t, joissa on sylinterimäisiä elementtejä, kestävät äärimmäisempiä ja monimutkaisempia muodonmuutoksia. Siksi sylinterimäisen yksikön joustavien LIB:ien sähkökemiallisen suorituskyvyn osoittamiseksi testi suoritettiin nopeudella 1 C, mikä osoitti, että kun akku käy läpi erilaisia ​​muodonmuutoksia, sähkökemiallinen suorituskyky ei juuri muutu. Muodonmuutos ei aiheuta jännitekäyrän muutosta (kuva 4a, b).

Sylinterimäisen akun sähkökemiallisen stabiiliuden ja mekaanisen kestävyyden arvioimiseksi edelleen se altisti akulle dynaamisen automaattisen kuormitustestin nopeudella 1 C. Tutkimukset osoittavat, että dynaamisen venytyksen (kuva 4c, d) jälkeen dynaaminen vääntö (kuva 4e, f) , ja dynaaminen taivutus + vääntö (kuva 4g, h), akun lataus-purkaussyklin suorituskyky ja vastaava jännitekäyrä eivät vaikuta. Kuva 4i esittää akun suorituskykyä värikkäällä energian varastointiyksiköllä. Purkauskapasiteetti heikkenee arvosta 133.3 mAm g-1 arvoon 129.9 mAh g-1, ja kapasiteetin menetys sykliä kohden on vain 0.04 %, mikä osoittaa, että muodonmuutos ei vaikuta sen syklin vakauteen ja purkauskapasiteettiin.

Kuva 4 (a) Sylinterimäisten kennojen eri kokoonpanojen lataus- ja purkaussyklitesti 1 C:ssa; (b) akun vastaavat lataus- ja purkauskäyrät eri olosuhteissa; (c, d) Akun syklin suorituskyky ja lataus dynaamisen jännityksen alaisena Purkauskäyrä; (e, f) akun syklin suorituskyky dynaamisen vääntövoiman alaisena ja vastaava lataus-purkauskäyrä eri sykleissä; (g, h) akun syklin suorituskyky dynaamisen taivutus + vääntö ja vastaava lataus-purkauskäyrä eri sykleissä; (I) Prismaattisten yksikköakkujen lataus- ja purkauskoe eri kokoonpanoilla 1 C:ssa.

Arvioidakseen kehitetyn joustavan akun soveltamista käytännössä, kirjoittaja käyttää täysakkuja erityyppisillä energian varastointiyksiköillä joidenkin kaupallisten elektronisten tuotteiden, kuten kuulokkeiden, älykellon, minisähkötuulettimen, kosmeettisten instrumenttien ja älypuhelimien, virtalähteenä. Molemmat riittävät jokapäiväiseen käyttöön, ilmentävät täysin erilaisten joustavien ja puettavien elektroniikkatuotteiden sovelluspotentiaalia.

Kuva 5 koskee suunniteltua akkua kuulokkeissa, älykelloissa, minisähkötuulettimissa, kosmeettisissa laitteissa ja älypuhelimissa. Joustava akku antaa virtaa (a) kuulokkeille, (b) älykelloille ja (c) minisähkötuulettimille; d) toimittaa virtaa kosmeettisille laitteille; (e) Joustava akku antaa virtaa älypuhelimille erilaisissa muodonmuutosolosuhteissa.

Yhteenveto ja näkymät

Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä artikkeli on saanut inspiraationsa ihmisen nivelten rakenteesta. Se ehdottaa ainutlaatuista suunnittelumenetelmää joustavan akun valmistamiseksi, jolla on korkea energiatiheys, moninkertainen muotoutuvuus ja kestävyys. Verrattuna perinteisiin joustaviin LIB:iin, tämä uusi muotoilu voi tehokkaasti välttää nykyisen metallinkeräimen plastisen muodonmuutoksen. Samalla tässä paperissa suunnitellun energian varastointiyksikön molempiin päihin varatut kaarevat pinnat voivat tehokkaasti lievittää toisiinsa kytkettyjen komponenttien paikallista jännitystä. Lisäksi eri kelausmenetelmillä voidaan muuttaa pinon muotoa, jolloin akulle saadaan riittävä muotoutuvuus. Joustava akku osoittaa erinomaisen syklin vakautta ja mekaanista kestävyyttä uudenlaisen suunnittelun ansiosta, ja sillä on laajat käyttömahdollisuudet erilaisissa joustavissa ja puettavissa elektroniikkatuotteissa.

Kirjallisuuden linkki

Ihmisen nivelten inspiroima rakennesuunnittelu taivutettavalle/taitettavalle/joustavalle/kiertyvälle akulle: saavutetaan moninkertainen muotoutuvuus. (Energiaympäristö. Sei., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)