Hong Kong CityU EES: Ийкемдүү литий-иондук батарея адамдын муундарынан шыктанган

Изилдөө өбөлгөлөрү

Электрондук продуктыларга болгон суроо-талаптын өсүшү акыркы жылдары ийкемдүү жана жогорку энергиялуу сактоочу түзүлүштөрдүн тез өнүгүшүнө өбөлгө түздү. Ийкемдүү литий-иондук батарейкалар (LIBs) энергиянын жогорку тыгыздыгы жана туруктуу электрохимиялык көрсөткүчтөрү кийилүүчү электрондук өнүмдөр үчүн эң келечектүү батарея технологиясы болуп эсептелет. Жука пленкалуу электроддорду жана полимердик электроддорду колдонуу LIBтердин ийкемдүүлүгүн кескин жакшыртса да, төмөнкү көйгөйлөр бар:

(1) Көпчүлүк ийкемдүү батарейкалар "терс электрод-сепаратор-позитивдүү электрод" менен тизилген жана алардын чектелген деформациясы жана көп катмарлуу стектердин ортосундагы тайгалактыгы LIBтердин жалпы иштешин чектейт;

(2) Катуураак шарттарда, мисалы, бүктөлүү, сунуу, ороо жана татаал деформация, ал батареянын иштешине кепилдик бере албайт;

(3) Дизайн стратегиясынын бир бөлүгү учурдагы металл коллекторунун деформациясын эске албайт.

Ошондуктан, бир эле учурда анын бир аз ийилүүчү бурчка, бир нече деформация режимине, жогорку механикалык туруктуулукка жана жогорку энергия тыгыздыгына жетишүү дагы эле көптөгөн кыйынчылыктарга дуушар болот.

тааныштыруу

Жакында Гонконгдун Сити университетинин профессору Чуньи Чжи жана доктор Куипинг Хан Energy Environ сайтында "Ийилүүчү/бүктөлүүчү/чоюлуучу/бүрүлүүчү батареянын адам биргелешкен структуралык дизайны: бир нече деформацияланууга жетишүү" аттуу макаласын жарыялашты. Sci. Бул эмгек адамдын муундарынын түзүлүшүнөн шыктанган жана биргелешкен системага окшош ийкемдүү LIB түрүн иштеп чыккан. Бул жаңы дизайндын негизинде даярдалган, ийкемдүү батарейка жогорку энергиянын тыгыздыгына жетишип, 180° бүктөлүп же бүктөлүшү мүмкүн. Ошол эле учурда, структуралык структура ийкемдүү LIBs бай деформация мүмкүнчүлүктөрүнө ээ болушу үчүн, ар кандай орогуч ыкмалары аркылуу өзгөртүлүшү мүмкүн, бир кыйла оор жана татаал деформациялар үчүн колдонулушу мүмкүн (ташуу жана бурмалоо), ал тургай, узартылышы мүмкүн, жана алардын деформация мүмкүнчүлүктөрү болуп саналат. ийкемдүү LIBs жөнүндө мурунку отчеттордон алда канча жогору. Чектүү элементтерди симуляциялоо анализи бул документте иштелип чыккан аккумулятор ар кандай катаал жана татаал деформацияларда учурдагы металл коллекторунун кайтпас пластикалык деформациясына дуушар болбостугун тастыктады. Ошол эле учурда, чогулган чарчы бирдиктин батареясы 371.9 Вт/л энергиянын тыгыздыгына жетише алат, бул салттуу жумшак пакеттик батареянын 92.9% түзөт. Мындан тышкары, ал 200,000ден ашык динамикалык ийилгенден жана 25,000 жолу динамикалык бурмалоодон кийин да туруктуу цикл көрсөткүчүн сактай алат.

Андан аркы изилдөөлөр чогулган цилиндрдик бирдиктин клеткасы оор жана татаал деформацияларга туруштук бере аларын көрсөтүп турат. 100,000 20,000ден ашык динамикалык чоюлуулардан, 100,000 88 бурмалоолордон жана XNUMX XNUMX ийилүүчү деформациялардан кийин дагы XNUMX% дан ашык жогорку кубаттуулукка жетише алат - кармап калуу. Ошондуктан, бул документте сунушталган ийкемдүү LIBs кийилүүчү электроникада практикалык колдонуу үчүн чоң келечекти камсыз кылат.

Изилдөө кызыктуу

1) Ийкемдүү LIBs, адамдын муундарынан шыктанган, ийилгенде, бурулганда, созулганда жана оролуу деформацияларында туруктуу цикл көрсөткүчтөрүн сактай алат;

(2) чарчы ийкемдүү батарейка менен ал 371.9 Вт/л энергиянын тыгыздыгына жетише алат, бул салттуу жумшак пакеттик батареянын 92.9% түзөт;

(3) Ар кандай орогуч ыкмалары батарейканын деформациясынын формасын өзгөртүп, батарейканын жетиштүү деформациялануусун камсыздай алат.

Графикалык колдонмо

Изилдөөлөр көрсөткөндөй, жогорку көлөмдөгү энергия тыгыздыгын жана татаал деформацияны камсыз кылуудан тышкары, структуралык дизайн ток коллекторунун пластикалык деформациясын да болтурбоо керек. Чектүү элементтерди симуляциялоо көрсөткөндөй, ток коллекторунун эң жакшы ыкмасы ток коллекторунун пластикалык деформациясын жана кайтарылгыс бузулушун болтурбоо үчүн ийүү процессинде ток коллекторунун кичине ийилүүчү радиусуна ээ болбошу керек.

Сүрөт 1а адамдын муундарынын түзүлүшүн көрсөтөт, анда акылдуураак чоңураак ийилген беттик дизайн муундардын бир калыпта айлануусуна жардам берет. Мунун негизинде, 1b-сүрөттө чарчы калың стек структурасына оролгон типтүү графит анод/диафрагма/литий кобальтатты (LCO) анод көрсөтүлгөн. Кошулган жерде ал эки калың катуу штабелден жана ийкемдүү бөлүктөн турат. Андан да маанилүүсү, жоон стек биргелешкен сөөк капкагына барабар ийри бети бар, буфердик басым жардам берет жана ийкемдүү батареянын негизги кубаттуулугу менен камсыз кылат. Серпилгич бөлүгү жоон стектерди бириктирип, ийкемдүүлүктү камсыз кылуучу байламта милдетин аткарат (1c-сүрөт). Чарчы үймөккө ороп коюудан тышкары, цилиндр же үч бурчтуу клеткалары бар батарейкаларды орогуч ыкмасын өзгөртүү жолу менен да жасоого болот (1d-сүрөт). Чарчы энергияны сактоочу бирдиктери бар ийкемдүү LIB үчүн өз ара байланышкан сегменттер ийүү процессинде калың стектин дога сымал бети боюнча жылат (сүрөт 1e), ошону менен ийкемдүү батареянын энергия тыгыздыгын олуттуу жогорулатат. Кошумчалай кетсек, ийкемдүү полимердик капсулалоо аркылуу цилиндр формасындагы ийкемдүү LIBs чоюлма жана ийкемдүү касиеттерге жетише алат (Figure 1f).

1-сүрөт (а) уникалдуу байламталардын жана ийри бетинин дизайны ийкемдүүлүккө жетишүү үчүн маанилүү; (б) ийкемдүү батареянын түзүлүшүнүн жана өндүрүш процессинин схемалык схемасы; (в) сөөк электроддордун калың катмарына туура келет, ал эми байламталары ачылбаганга туура келет (D) цилиндр жана үч бурчтуу клеткалары бар ийкемдүү батареянын структурасы; (е) чарчы уячалардын схемалык схемасы; (е) цилиндрлик клеткалардын созулган деформациясы.

Механикалык симуляциялык анализди андан ары колдонуу ийкемдүү батареянын структурасынын туруктуулугун тастыктады. Сүрөт 2a цилиндрге (180° радиан) ийилгенде жез жана алюминий фольгасынын стресстин бөлүштүрүлүшүн көрсөтөт. Натыйжалар жездин жана алюминий фольгасынын чыңалуусунун алардын түшүү күчүнөн алда канча төмөн экенин көрсөтүп турат, бул деформация пластикалык деформацияны пайда кылбай тургандыгын көрсөтөт. Учурдагы металл жыйноочу орду толгус зыян кача алат.

2b-сүрөттө бүгүлүү даражасы андан ары жогорулаганда стресстин бөлүштүрүлүшү көрсөтүлгөн, ал эми жез фольга менен алюминий фольгасынын стресси да алардын тиешелүү түшүмдүүлүгүнөн азыраак болот. Демек, структура жакшы бышыктыгын сактоо менен бүктөлүүчү деформацияга туруштук бере алат. Ийилүүчү деформациядан тышкары, система бурмалануунун белгилүү даражасына жетиши мүмкүн (2c-сүрөт).

Cylindrical бирдиктери менен аккумулятордук батареялар үчүн айлананын мүнөздүү өзгөчөлүктөрүнөн улам, ал кыйла оор жана татаал деформацияга жетиши мүмкүн. Ошондуктан, батарея 180o чейин бүктөлгөндө (сүрөт 2d, e), баштапкы узундуктун болжол менен 140% га чейин созулганда (2f-сүрөт) жана 90o чейин буралганда (2g-сүрөт), ал механикалык туруктуулукту сактай алат. Кошумчалай кетсек, ийилүү + бурмалоо жана ийүү деформациясы өзүнчө колдонулганда, долбоорлонгон LIBs түзүмү ар кандай оор жана татаал деформациялар учурунда учурдагы металл коллекторунун кайтпас пластикалык деформациясын жаратпайт.

2-сүрөт (ac) ийилүү, бүктөлүү жана буроо учурундагы төрт бурчтуу уячанын акыркы элементтерди моделдөө натыйжалары; (di) ийилген, бүктөлгөн, сунулган, бүктөлгөн, ийилген + ийилген жана оролуп жаткан цилиндрдик клетканын акыркы элементтерди моделдөө натыйжалары.

Долбоорланган ийкемдүү аккумулятордун электрохимиялык көрсөткүчтөрүн баалоо үчүн LiCoO2 разряддык кубаттуулукту жана циклдин туруктуулугун текшерүү үчүн катоддук материал катары колдонулган. 3a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, төрт бурчтуу клеткалары бар аккумулятордун разряддык сыйымдуулугу учак 1 С чоңойтуудо ийилип, шакекчеге, бүктөлүп, буралып деформациялангандан кийин олуттуу азайбайт, бул механикалык деформация дизайнды жаратпайт дегенди билдирет. ийкемдүү батарея электрохимиялык болушу үчүн Performance төмөндөйт. Ал тургай, динамикалык ийилген (сүрөт 3c, d) жана динамикалык буралуусу (сүрөт 3e, f) кийин жана циклдердин белгилүү бир санынан кийин, заряддоо жана разряддоо аянтчасы жана узак цикл көрсөткүчтөрү эч кандай көрүнгөн өзгөрүүлөргө ээ эмес, бул ички түзүмүн батарея жакшы корголгон.

3-сүрөт (а) 1С астында чарчы бирдиктин аккумуляторун заряддоо жана разряд текшерүү; (б) Ар кандай шарттарда заряддын жана разряддын ийри сызыгы; (c, d) Динамикалык ийилгенде, батареянын циклинин иштеши жана тиешелүү заряддын жана разряддын ийри сызыгы; (e, f) Динамикалык бурулууда, батарейканын циклинин иштеши жана ар кандай циклдердеги тиешелүү заряд-разряд ийри сызыгы.

Модельдештирүү анализинин натыйжалары тегеректин мүнөздүү өзгөчөлүктөрүнүн аркасында цилиндрдик элементтери бар ийкемдүү LIBs экстремалдык жана татаал деформацияларга туруштук бере аларын көрсөтүп турат. Ошондуктан, цилиндрдик блоктун ийкемдүү ЛИБтеринин электрохимиялык көрсөткүчтөрүн көрсөтүү үчүн 1 С темпте сыноо жүргүзүлдү, ал аккумулятор ар кандай деформацияларга дуушар болгондо электрохимиялык көрсөткүчтөрдүн дээрлик өзгөрүүсүн көрсөттү. Деформация чыңалуу ийри сызыгынын өзгөрүшүнө алып келбейт (4а, б-сүрөт).

Цилиндрдик аккумулятордун электрохимиялык туруктуулугун жана механикалык бышыктыгын андан ары баалоо үчүн, ал аккумуляторду 1 С ылдамдыгы боюнча динамикалык автоматташтырылган жүк сынагынан өткөрдү. Изилдөөлөр көрсөткөндөй, динамикалык чоюлуудан кийин (4c, d-сүрөт), динамикалык бурулуулар (4е, е-сүрөт) , жана динамикалык ийилип + бурулушу (4g, h-сүрөт), аккумулятордун заряддоо-разряд циклинин иштеши жана тиешелүү чыңалуу ийри сызыгы таасир этпейт. Сүрөт 4i түстүү энергия сактоо бирдиги менен батареянын иштешин көрсөтөт. Разряддын кубаттуулугу 133.3 мАм g-1ден 129.9 мАч g-1ге чейин бузулат, ал эми бир циклдеги кубаттуулуктун жоготуусу болгону 0.04%ды түзөт, бул деформация анын циклинин туруктуулугуна жана разряддын кубаттуулугуна таасир этпей турганын көрсөтөт.

4-сүрөт (а) Цилиндрдик клеткалардын ар кандай конфигурацияларынын 1Сте заряддоо жана разряд циклинин сыноосу; (б) Ар кандай шарттарда батареянын тиешелүү заряды жана разряды; (c, d) Динамикалык чыңалуудагы батареянын циклинин иштеши жана заряды Разряд ийри сызыгы; (д, е) динамикалык бурулууда аккумулятордун циклинин көрсөткүчтөрү жана ар кандай циклдерде тиешелүү заряд-разряд ийри сызыгы; (g, h) динамикалык ийилүүдө + бурулууда батареянын цикл көрсөткүчү жана ар кандай циклдердеги тиешелүү заряд-разряд ийри сызыгы; (I) 1Сте ар кандай конфигурациядагы призматикалык блоктун аккумуляторлорун заряддоо жана разряддык сыноо.

Иштелип чыккан ийкемдүү батарейканын практикада колдонулушун баалоо үчүн автор наушник, акылдуу сааттар, мини электр желдеткичтери, косметикалык аспаптар жана смартфондор сыяктуу коммерциялык электрондук өнүмдөрдү кубаттоо үчүн энергияны сактоочу бирдиктердин ар кандай түрлөрү менен толук батарейкаларды колдонот. Экөө тең күнүмдүк колдонуу үчүн жетиштүү, ар кандай ийкемдүү жана кийилүүчү электрондук өнүмдөрдүн колдонуу потенциалын толугу менен камтыйт.

5-сүрөттө иштелип чыккан батарея наушниктерге, акылдуу сааттарга, мини электр желдеткичтерине, косметикалык жабдууларга жана смартфондорго колдонулат. Ийкемдүү батарейка (а) кулакчындарды, (б) акылдуу сааттарды жана (в) мини электр желдеткичтерин кубаттайт; (г) косметикалык жабдууларды энергия менен камсыз кылат; (e) ар кандай деформация шарттарында ийкемдүү батарейка смартфондорду энергия менен камсыздайт.

Корутунду жана көз караш

Жыйынтыктап айтканда, бул макала адамдын муундарынын түзүлүшүнөн шыктанган. Бул жогорку энергия тыгыздыгы, бир нече деформациялануучу жана бекемдик менен ийкемдүү батареяны өндүрүү үчүн уникалдуу дизайн ыкмасын сунуш кылат. Салттуу ийкемдүү LIB менен салыштырганда, бул жаңы дизайн учурдагы металл коллекторунун пластикалык деформациясынан натыйжалуу кача алат. Ошол эле учурда, бул документте иштелип чыккан энергияны сактоочу түзүлүштүн эки учунда сакталган ийри беттер бири-бири менен байланышкан компоненттердин жергиликтүү стресстен натыйжалуу арылта алат. Мындан тышкары, ар кандай орогуч ыкмалары батареянын жетиштүү деформациялануусун берип, стектин формасын өзгөртө алат. Ийкемдүү батарейка жаңы дизайндын аркасында эң сонун цикл туруктуулугун жана механикалык бышыктыгын көрсөтөт жана ар кандай ийкемдүү жана кийилүүчү электрондук буюмдарда кеңири колдонуу перспективаларына ээ.

Адабият шилтемеси

Ийилүүчү / бүктөлүүчү / чоюлма / бурулма батарея үчүн адамдын биргелешкен шыктанган структуралык дизайны: бир нече деформацияга жетишүү. (Энергетикалык чөйрө. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)