Hong Kong CityU EES: İnsan eklemlerinden ilham alan esnek lityum iyon pil

Araştırma Geçmişi

Elektronik ürünlere yönelik artan talep, son yıllarda esnek ve yüksek enerji yoğunluklu depolama cihazlarının hızlı gelişimini desteklemiştir. Esnek lityum iyon piller Yüksek enerji yoğunluğuna ve kararlı elektrokimyasal performansa sahip (LIB'ler), giyilebilir elektronik ürünler için en umut verici pil teknolojisi olarak kabul edilir. İnce film elektrotlarının ve polimer bazlı elektrotların kullanılması, LIB'lerin esnekliğini önemli ölçüde artırsa da, aşağıdaki sorunlar vardır:

(1) Esnek pillerin çoğu "negatif elektrot-ayırıcı-pozitif elektrot" ile istiflenir ve bunların sınırlı deforme olabilirliği ve çok katmanlı yığınlar arasındaki kayma, LIB'lerin genel performansını kısıtlar;

(2) Katlama, germe, sarma ve karmaşık deformasyon gibi bazı daha ağır koşullar altında pil performansını garanti edemez;

(3) Tasarım stratejisinin bir kısmı, mevcut metal toplayıcının deformasyonunu yok sayar.

Bu nedenle, hafif bükülme açısını, çoklu deformasyon modlarını, üstün mekanik dayanıklılığını ve yüksek enerji yoğunluğunu aynı anda elde etmek hala birçok zorlukla karşı karşıyadır.

Giriş

Yakın zamanda, Hong Kong Şehir Üniversitesi'nden Profesör Chunyi Zhi ve Dr. Cuiping Han, Energy Environ'da "Bükülebilir/katlanabilir/gerilebilir/bükülebilir pil için insan ekleminden ilham alan yapısal tasarım: çoklu deforme olabilirlik" başlıklı bir makale yayınladı. bilim Bu çalışma, insan eklemlerinin yapısından esinlenerek eklem sistemine benzer bir tür esnek LIB'ler tasarladı. Bu özgün tasarıma dayalı olarak hazırlanan esnek pil, yüksek enerji yoğunluğuna ulaşabilir ve 180° bükülebilir ve hatta katlanabilir. Aynı zamanda, esnek LIB'lerin zengin deformasyon yeteneklerine sahip olması, daha şiddetli ve karmaşık deformasyonlara (sarma ve burulma) uygulanabilmesi ve hatta gerilebilir olması için yapısal yapı farklı sarım yöntemleri ile değiştirilebilir ve deformasyon yetenekleri azaltılabilir. esnek LIB'lerin önceki raporlarının çok ötesinde. Sonlu eleman simülasyon analizi, bu yazıda tasarlanan pilin, çeşitli sert ve karmaşık deformasyonlar altında mevcut metal toplayıcının geri dönüşü olmayan plastik deformasyonuna uğramayacağını doğruladı. Aynı zamanda, birleştirilmiş kare birim pil, geleneksel yumuşak paket pilin %371.9'u olan 92.9 Wh/L'ye kadar bir enerji yoğunluğuna ulaşabilir. Ek olarak, 200,000 kattan fazla dinamik bükülme ve 25,000 kat dinamik bozulmadan sonra bile kararlı çevrim performansını koruyabilir.

Daha fazla araştırma, monte edilmiş silindirik birim hücrenin daha şiddetli ve karmaşık deformasyonlara dayanabileceğini göstermektedir. 100,000'den fazla dinamik esnetme, 20,000 büküm ve 100,000 bükülme deformasyonundan sonra hala %88'den fazla yüksek bir kapasiteye, yani tutma oranına ulaşabilir. Bu nedenle, bu yazıda önerilen esnek LIB'ler, giyilebilir elektronikte pratik uygulamalar için büyük bir olasılık sağlar.

Araştırma Sonuçları

1) İnsan eklemlerinden ilham alan esnek LIB'ler, bükülme, bükülme, germe ve sarma deformasyonları altında kararlı döngü performansını koruyabilir;

(2) Kare esnek pil ile, geleneksel yumuşak paket pilin %371.9'u olan 92.9 Wh/L'ye kadar enerji yoğunluğu elde edebilir;

(3) Farklı sarma yöntemleri, pil yığınının şeklini değiştirebilir ve pile yeterli deforme olabilirlik verebilir.

Grafik kılavuzu

Araştırmalar, yüksek hacimli enerji yoğunluğunun ve daha karmaşık deformasyonun sağlanmasına ek olarak, yapısal tasarımın akım toplayıcının plastik deformasyonunu da önlemesi gerektiğini göstermiştir. Sonlu elemanlar simülasyonu, akım toplayıcının plastik deformasyonunu ve akım toplayıcının geri döndürülemez hasarını önlemek için akım toplayıcının bükülme işlemi sırasında küçük bir bükülme yarıçapına sahip olmasını önlemek için en iyi yöntemin akım toplayıcı olması gerektiğini göstermektedir.

Şekil 1a, akıllıca daha büyük kavisli yüzey tasarımının eklemlerin düzgün bir şekilde dönmesine yardımcı olduğu insan eklemlerinin yapısını göstermektedir. Buna dayanarak, Şekil 1b, kare kalın bir yığın yapısına sarılabilen tipik bir grafit anot/diyafram/lityum kobaltat (LCO) anotunu göstermektedir. Kavşakta iki kalın sert yığın ve esnek bir parçadan oluşur. Daha da önemlisi, kalın yığın, tampon basıncına yardımcı olan ve esnek pilin birincil kapasitesini sağlayan eklem kemiği kapağına eşdeğer kavisli bir yüzeye sahiptir. Elastik kısım, kalın yığınları birbirine bağlayan ve esneklik sağlayan bir bağ görevi görür (Şekil 1c). Kare yığın halinde sarmanın yanı sıra, sarma yöntemi değiştirilerek silindirik veya üçgen hücreli piller de üretilebilir (Şekil 1d). Kare enerji depolama birimlerine sahip esnek LIB'ler için, birbirine bağlı segmentler, bükme işlemi sırasında kalın yığının yay şeklindeki yüzeyi boyunca yuvarlanacak (Şekil 1e), böylece esnek pilin enerji yoğunluğunu önemli ölçüde artıracaktır. Ek olarak, elastik polimer kapsülleme yoluyla, silindirik birimlere sahip esnek LIB'ler gerilebilir ve esnek özellikler elde edebilir (Şekil 1f).

Şekil 1 (a) Esneklik elde etmek için benzersiz bağ bağlantısı ve kavisli yüzey tasarımı esastır; (b) Esnek pil yapısının ve üretim sürecinin şematik diyagramı; (c) kemik, daha kalın elektrot yığınına karşılık gelir ve bağ, yuvarlanmamış (D) Silindirik ve üçgen hücreli esnek pil yapısına karşılık gelir; (e) Kare hücrelerin istifleme şematik diyagramı; (f) Silindirik hücrelerin gerilme deformasyonu.

Mekanik simülasyon analizinin daha fazla kullanılması, esnek pil yapısının kararlılığını doğruladı. Şekil 2a, bir silindire (180° radyan) büküldüğünde bakır ve alüminyum folyonun gerilim dağılımını göstermektedir. Sonuçlar, bakır ve alüminyum folyonun gerilmesinin akma mukavemetinden çok daha düşük olduğunu ve bu deformasyonun plastik deformasyona neden olmayacağını göstermektedir. Mevcut metal toplayıcı, geri dönüşü olmayan hasarı önleyebilir.

Şekil 2b, eğilme derecesi daha fazla arttığında ve bakır folyo ile alüminyum folyonun gerilimi de karşılık gelen akma mukavemetinden daha az olduğunda gerilim dağılımını göstermektedir. Bu nedenle yapı, iyi dayanıklılığı korurken katlanma deformasyonuna dayanabilir. Eğilme deformasyonuna ek olarak, sistem belirli bir derecede bozulma elde edebilir (Şekil 2c).

Silindirik birimlere sahip piller için, dairenin doğal özelliklerinden dolayı, daha şiddetli ve karmaşık deformasyona neden olabilir. Bu nedenle, pil 180°'ye katlandığında (Şekil 2d, e), orijinal uzunluğunun yaklaşık %140'ına kadar gerildiğinde (Şekil 2f) ve 90°'ye büküldüğünde (Şekil 2g), mekanik stabiliteyi koruyabilir. Ayrıca bükme + büküm ve sargı deformasyonu ayrı ayrı uygulandığında tasarlanan LIBs yapısı, çeşitli şiddetli ve karmaşık deformasyonlar altında mevcut metal kollektörün geri dönüşü olmayan plastik deformasyonuna neden olmayacaktır.

Şekil 2 (ac) Bükme, katlama ve burulma altında kare bir hücrenin sonlu eleman simülasyon sonuçları; (di) Silindirik bir hücrenin eğilme, katlama, germe, burulma, eğme + burulma ve sarma altında sonlu eleman simülasyon sonuçları.

Tasarlanan esnek pilin elektrokimyasal performansını değerlendirmek için deşarj kapasitesini ve döngü kararlılığını test etmek için katot malzemesi olarak LiCoO2 kullanıldı. Şekil 3a'da gösterildiği gibi, kare hücreli pilin deşarj kapasitesi, düzlem büküldükten, halkalandıktan, katlandıktan ve 1 C büyütmede büküldükten sonra önemli ölçüde azalmaz, bu da mekanik deformasyonun tasarımına neden olmayacağı anlamına gelir. Esnek pil elektrokimyasal olarak Performans düşer. Dinamik bükülme (Şekil 3c, d) ve dinamik burulma (Şekil 3e, f) ve belirli sayıda döngüden sonra bile, yükleme ve boşaltma platformunda ve uzun döngü performansında belirgin bir değişiklik olmaz, bu da iç yapısı anlamına gelir. pil iyi korunur.

Şekil 3 (a) 1C altında kare birim pilin şarj ve deşarj testi; (b) Farklı koşullar altında şarj ve deşarj eğrisi; (c, d) Dinamik bükülme, pil döngüsü performansı ve ilgili şarj ve deşarj eğrisi altında; (e, f) Dinamik burulma altında, pilin çevrim performansı ve farklı çevrimler altında karşılık gelen şarj-deşarj eğrisi.

Simülasyon analizi sonuçları, dairenin doğal özellikleri sayesinde, silindirik elemanlara sahip esnek LIB'lerin daha aşırı ve karmaşık deformasyonlara dayanabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, silindirik ünitenin esnek LIB'lerinin elektrokimyasal performansını göstermek için, test 1 C hızında gerçekleştirildi ve bu, pilin çeşitli deformasyonlara maruz kaldığında elektrokimyasal performansta neredeyse hiçbir değişiklik olmadığını gösterdi. Deformasyon gerilim eğrisinin değişmesine neden olmaz (Şekil 4a, b).

Silindirik pilin elektrokimyasal kararlılığını ve mekanik dayanıklılığını daha da değerlendirmek için, pili 1 C hızında dinamik bir otomatik yük testine tabi tuttu. Araştırmalar, dinamik gerilmeden sonra (Şekil 4c, d), dinamik burulma (Şekil 4e, f) olduğunu gösteriyor. ve dinamik bükme + burulma (Şekil 4g, h), pil şarj-deşarj döngüsü performansı ve ilgili voltaj eğrisi etkilenmez. Şekil 4i, renkli bir enerji depolama birimine sahip bir pilin performansını göstermektedir. Deşarj kapasitesi 133.3 mAm g-1'den 129.9 mAh g-1'e düşer ve çevrim başına kapasite kaybı sadece %0.04'tür, bu da deformasyonun çevrim stabilitesini ve deşarj kapasitesini etkilemeyeceğini gösterir.

Şekil 4 (a) 1 C'de silindirik hücrelerin farklı konfigürasyonlarının şarj ve deşarj döngüsü testi; (b) Farklı koşullar altında akünün karşılık gelen şarj ve deşarj eğrileri; (c, d) Dinamik gerilim altında pilin çevrim performansı ve şarjı Deşarj eğrisi; (e, f) dinamik burulma altında pilin çevrim performansı ve farklı çevrimler altında karşılık gelen şarj-deşarj eğrisi; (g, h) dinamik bükülme + burulma altında pilin çevrim performansı ve farklı çevrimler altında karşılık gelen şarj-deşarj eğrisi; (I) Farklı konfigürasyonlara sahip prizmatik ünite pillerinin 1 C'de şarj ve deşarj testi.

Geliştirilen esnek pilin pratikteki uygulamasını değerlendirmek için yazar, kulaklık, akıllı saatler, mini elektrikli fanlar, kozmetik aletler ve akıllı telefonlar gibi bazı ticari elektronik ürünlere güç sağlamak için farklı türde enerji depolama birimlerine sahip tam piller kullanır. Her ikisi de günlük kullanım için yeterlidir, çeşitli esnek ve giyilebilir elektronik ürünlerin uygulama potansiyelini tam olarak somutlaştırır.

Şekil 5, tasarlanan pili kulaklıklara, akıllı saatlere, mini elektrikli fanlara, kozmetik ekipmana ve akıllı telefonlara uygular. Esnek pil, (a) kulaklıklar, (b) akıllı saatler ve (c) mini elektrikli fanlar için güç sağlar; (d) kozmetik ekipman için güç sağlar; (e) farklı deformasyon koşulları altında, esnek pil akıllı telefonlar için güç sağlar.

Özet ve görünüm

Özetle, bu makale insan eklemlerinin yapısından esinlenmiştir. Yüksek enerji yoğunluğuna, çoklu deforme olabilirliğe ve dayanıklılığa sahip esnek bir pil üretmek için benzersiz bir tasarım yöntemi önerir. Geleneksel esnek LIB'lerle karşılaştırıldığında, bu yeni tasarım mevcut metal toplayıcının plastik deformasyonunu etkili bir şekilde önleyebilir. Aynı zamanda, bu yazıda tasarlanan enerji depolama biriminin her iki ucunda ayrılmış kavisli yüzeyler, birbirine bağlı bileşenlerin yerel stresini etkili bir şekilde azaltabilir. Ek olarak, farklı sarma yöntemleri, pile yeterli deforme edilebilirlik vererek yığının şeklini değiştirebilir. Esnek pil, özgün tasarımı sayesinde mükemmel döngü kararlılığı ve mekanik dayanıklılık sergiler ve çeşitli esnek ve giyilebilir elektronik ürünlerde kapsamlı uygulama beklentilerine sahiptir.

Edebiyat bağlantısı

Bükülebilir/katlanabilir/gerilebilir/bükülebilir pil için insan ekleminden ilham alan yapısal tasarım: birden fazla deforme olabilirlik elde etme. (Enerji Çevresi. bilim, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)