By hoppt
Az elektronikai termékek iránti növekvő kereslet az elmúlt években elősegítette a rugalmas és nagy energiasűrűségű tárolóeszközök gyors fejlődését. Rugalmas lítium-ion akkumulátorok A nagy energiasűrűséggel és stabil elektrokémiai teljesítménnyel rendelkező (LIB) a hordható elektronikai termékek legígéretesebb akkumulátortechnológiája. Bár a vékonyréteg-elektródák és a polimer alapú elektródák használata drámaian javítja a LIB-k rugalmasságát, a következő problémák merülnek fel:
(1) A legtöbb flexibilis akkumulátor „negatív elektróda-leválasztó-pozitív elektródával” van egymásra rakva, és korlátozott deformálhatóságuk és többrétegű kötegek közötti elcsúszásuk korlátozza a LIB-k általános teljesítményét;
(2) Bizonyos súlyosabb körülmények között, mint például a hajtogatás, nyújtás, tekercselés és összetett deformáció, nem tudja garantálni az akkumulátor teljesítményét;
(3) A tervezési stratégia egy része figyelmen kívül hagyja a jelenlegi fémkollektor deformációját.
Ezért az enyhe hajlítási szög, a többszörös alakváltozási módok, a kiváló mechanikai tartósság és a nagy energiasűrűség egyidejű elérése továbbra is számos kihívással néz szembe.
A közelmúltban Chunyi Zhi professzor és Dr. Cuiping Han, a Hongkongi Városi Egyetem munkatársa publikált egy tanulmányt "Emberi ízületek által ihletett szerkezeti tervezés hajlítható/hajlítható/hajlítható/csavarható akkumulátorokhoz: többszörös deformálhatóság elérése" címmel az Energy Environ oldalon. Sci. Ezt a munkát az emberi ízületek szerkezete ihlette, és az ízületi rendszerhez hasonló rugalmas LIB-ket tervezett. Az újszerű kialakítás alapján az előkészített, rugalmas akkumulátor nagy energiasűrűséget érhet el, és 180°-ban hajlítható vagy akár össze is hajtható. Ugyanakkor a szerkezeti felépítés különböző tekercselési módszerekkel megváltoztatható, így a flexibilis LIB-k gazdag alakváltozási képességekkel rendelkeznek, alkalmazhatók súlyosabb és összetettebb alakváltozásokra (tekercselés és csavarodás), sőt nyújthatók is, deformációs képességeik pedig messze túlmutat a rugalmas LIB-k korábbi jelentésein. A végeselemes szimulációs analízis megerősítette, hogy az ebben a cikkben tervezett akkumulátor nem szenved visszafordíthatatlan képlékeny deformációt a jelenlegi fémkollektorban különböző durva és összetett deformációk hatására. Ugyanakkor az összeszerelt négyzetes egység akkumulátor akár 371.9 Wh/L energiasűrűséget is elérhet, ami a hagyományos soft pack akkumulátor 92.9%-a. Ezenkívül stabil ciklusteljesítményt képes fenntartani több mint 200,000 25,000-szeres dinamikus hajlítás és XNUMX XNUMX-szeres dinamikus torzítás után is.
A további kutatások azt mutatják, hogy az összeszerelt hengeres egységcella ellenáll a súlyosabb és összetettebb alakváltozásoknak is. Több mint 100,000 20,000 dinamikus nyújtás, 100,000 88 csavarás és XNUMX XNUMX hajlítási deformáció után is képes elérni a XNUMX%-ot meghaladó nagy kapacitást – a visszatartási arányt. Ezért az ebben a dokumentumban javasolt rugalmas LIB-k hatalmas lehetőséget kínálnak a hordható elektronika gyakorlati alkalmazására.
1) Az emberi ízületek által ihletett flexibilis LIB-k stabil ciklusteljesítményt tudnak fenntartani hajlítási, csavarási, nyújtási és tekercselési deformációk esetén is;
(2) Egy négyzet alakú rugalmas akkumulátorral akár 371.9 Wh/L energiasűrűséget is elérhet, ami a hagyományos soft-pack akkumulátor 92.9%-a;
(3) A különböző tekercselési módszerek megváltoztathatják az akkumulátorköteg alakját, és megfelelő deformálhatóságot biztosítanak az akkumulátornak.
1. Új típusú bionikus rugalmas LIB-k tervezése
A kutatások kimutatták, hogy a nagy térfogati energiasűrűség és a bonyolultabb alakváltozás biztosítása mellett a szerkezeti tervezés során az áramkollektor képlékeny deformációját is el kell kerülni. A végeselemes szimuláció azt mutatja, hogy az áramkollektor legjobb módszere az, hogy megakadályozzuk, hogy a hajlítási folyamat során az áramkollektor kis hajlítási sugara legyen, hogy elkerüljük az áramkollektor képlékeny deformációját és visszafordíthatatlan károsodását.
Az 1a ábra az emberi ízületek felépítését mutatja, melyben az ügyesen nagyobb ívelt felületkialakítás segíti az ízületek zökkenőmentes forgását. Ennek alapján az 1b. ábra egy tipikus grafit anód/membrán/lítium-kobaltát (LCO) anódot mutat, amely négyzetvastagságú veremszerkezetbe tekerhető. A csomópontnál két vastag merev kötegből és egy rugalmas részből áll. Ennél is fontosabb, hogy a vastag köteg az ízületi csont borításának megfelelő ívelt felülettel rendelkezik, ami segíti a puffernyomást és biztosítja a rugalmas akkumulátor elsődleges kapacitását. Az elasztikus rész szalagként működik, vastag kötegeket köt össze és rugalmasságot biztosít (1c. ábra). A hengeres vagy háromszög alakú cellás akkumulátorok a négyzet alakú kupacba tekercselés mellett a tekercselési mód megváltoztatásával is előállíthatók (1d. ábra). A négyzet alakú energiatároló egységekkel rendelkező rugalmas LIB-k esetében az összekapcsolt szegmensek a vastag köteg ív alakú felületén gördülnek a hajlítási folyamat során (1e. ábra), ezáltal jelentősen megnövelve a rugalmas akkumulátor energiasűrűségét. Ezenkívül a rugalmas polimer kapszulázással a hengeres egységekkel rendelkező rugalmas LIB-k nyújtható és rugalmas tulajdonságokat érhetnek el (1f ábra).
1. ábra (a) Az egyedi szalagkötés és az ívelt felület kialakítása elengedhetetlen a rugalmasság eléréséhez; (b) A rugalmas akkumulátorszerkezet és a gyártási folyamat sematikus diagramja; (c) a csont a vastagabb elektródakötegnek, a szalag pedig a kicsavarodottnak felel meg (D) Rugalmas akkumulátorszerkezet hengeres és háromszög alakú cellákkal; (e) Négyzet alakú cellák halmozási sematikus diagramja; (f) Hengeres cellák nyújtó deformációja.
2. Végeselem szimulációs elemzés
A mechanikai szimulációs elemzés további alkalmazása megerősítette a rugalmas akkumulátorszerkezet stabilitását. A 2a. ábra a réz és az alumíniumfólia feszültségeloszlását mutatja hengerré hajlítva (180° radián). Az eredmények azt mutatják, hogy a réz és az alumíniumfólia feszültsége sokkal kisebb, mint a folyáshatáruk, ami azt jelzi, hogy ez az alakváltozás nem okoz plasztikus deformációt. A jelenlegi fémgyűjtővel elkerülhető a visszafordíthatatlan károsodás.
A 2b. ábra a feszültségeloszlást mutatja, ha a hajlítás mértéke tovább nő, és a rézfólia és az alumíniumfólia feszültsége is kisebb, mint a megfelelő folyáshatár. Ezért a szerkezet ellenáll a hajtogatási deformációnak, miközben megőrzi a jó tartósságot. A hajlítási deformáció mellett a rendszer bizonyos fokú torzítást is elérhet (2c. ábra).
A hengeres egységekkel rendelkező akkumulátorok esetében a kör sajátosságai miatt súlyosabb és összetettebb deformációt érhet el. Ezért, ha az akkumulátort 180o-ra összehajtják (2d., e. ábra), az eredeti hossz körülbelül 140%-ára nyújtják (2f. ábra), és 90o-ra megcsavarják (2g. ábra), akkor megőrizheti mechanikai stabilitását. Ezen túlmenően, ha a hajlítás + csavarás és a tekercselés deformációját külön alkalmazzák, a tervezett LIB szerkezet nem okoz visszafordíthatatlan képlékeny deformációt az aktuális fémkollektorban különböző súlyos és összetett deformációk esetén.
2. ábra (ac) Négyzet alakú cella végeselemes szimulációs eredményei hajlítás, hajtogatás és csavarás közben; (di) Hengeres cella végeselem-szimulációs eredményei hajlítás, hajtogatás, nyújtás, csavarás, hajlítás + csavarás és tekercselés alatt.
3. A négyzet alakú energiatároló egység rugalmas LIB-einek elektrokémiai teljesítménye
A tervezett rugalmas akkumulátor elektrokémiai teljesítményének értékeléséhez LiCoO2-t használtak katódanyagként a kisülési kapacitás és a ciklusstabilitás tesztelésére. A 3a. ábrán látható, hogy a szögletes cellákkal ellátott akkumulátor kisütési kapacitása nem csökken jelentősen a sík hajlításra, gyűrűzésre, hajtásra és csavarodásra 1 C-os nagyításnál történő deformációja után, ami azt jelenti, hogy a mechanikai deformáció nem okozza a a rugalmas akkumulátort, hogy elektrokémiailag Teljesítmény csökken. Még a dinamikus hajlítás (3c, d ábra) és a dinamikus torzió (3e, f ábra), valamint bizonyos számú ciklus után sem változik a töltő-kisütési platform és a hosszú ciklus teljesítménye, ami azt jelenti, hogy a töltő belső szerkezete az akkumulátor jól védett.
3. ábra (a) Négyzetegységes akkumulátor töltési és kisütési tesztje 1C alatt; b) töltési és kisütési görbe különböző feltételek mellett; (c, d) Dinamikus hajlítás esetén az akkumulátorciklus teljesítménye és a megfelelő töltési és kisütési görbe; (e, f) Dinamikus torzió esetén az akkumulátor ciklusteljesítménye és a megfelelő töltés-kisütés görbe különböző ciklusok alatt.
4. A hengeres energiatároló egység rugalmas LIB-inek elektrokémiai teljesítménye
A szimulációs elemzés eredményei azt mutatják, hogy a körben rejlő jellemzőknek köszönhetően a hengeres elemekkel rendelkező rugalmas LIB-k ellenállnak a szélsőségesebb és összetettebb alakváltozásoknak is. Ezért a hengeres egység flexibilis LIB-inek elektrokémiai teljesítményének demonstrálására 1 C-os sebességgel végezték el a tesztet, amely azt mutatta, hogy amikor az akkumulátor különféle deformációkon megy keresztül, az elektrokémiai teljesítményben szinte nincs változás. A deformáció nem okozza a feszültséggörbe változását (4a, b ábra).
A hengeres akkumulátor elektrokémiai stabilitásának és mechanikai tartósságának további értékelése érdekében az akkumulátort dinamikus automatizált terhelési tesztnek vetette alá 1 C-os sebességgel. A kutatások azt mutatják, hogy a dinamikus nyújtás (4c, d ábra) után dinamikus torzió (4e, f ábra). , és dinamikus hajlítás + torzió (4g, h ábra), az akkumulátor töltési-kisütési ciklusának teljesítménye és a megfelelő feszültséggörbe nem befolyásolja. A 4i. ábra egy színes energiatároló egységgel ellátott akkumulátor teljesítményét mutatja be. A kisülési kapacitás 133.3 mAm g-1-ről 129.9 mAh g-1-re csökken, és a ciklusonkénti kapacitásveszteség csak 0.04%, ami azt jelzi, hogy a deformáció nem befolyásolja a ciklus stabilitását és kisülési kapacitását.
4. ábra (a) Különböző konfigurációjú hengeres cellák töltési és kisütési ciklusának vizsgálata 1 C-on; b) az akkumulátor megfelelő töltési és kisütési görbéi különböző körülmények között; (c, d) Az akkumulátor ciklusteljesítménye és töltése dinamikus feszültség mellett Kisülési görbe; e, f) az akkumulátor ciklusteljesítménye dinamikus torzió mellett és a megfelelő töltés-kisütés görbe különböző ciklusok alatt; (g, h) az akkumulátor ciklusteljesítménye dinamikus hajlítás + torzió mellett és a megfelelő töltés-kisütés görbe különböző ciklusok alatt; (I) Különböző konfigurációjú prizmás egység akkumulátorok töltési és kisütési tesztje 1 C-on.
5. Rugalmas és hordható elektronikai termékek alkalmazása
A kifejlesztett flexibilis akkumulátor gyakorlati alkalmazásának értékeléséhez a szerző tele akkumulátorokat használ különböző típusú energiatároló egységekkel egyes kereskedelmi elektronikai termékek, például fülhallgatók, okosórák, mini elektromos ventilátorok, kozmetikai műszerek és okostelefonok táplálására. Mindkettő elegendő a mindennapi használatra, teljes mértékben megtestesíti a különféle rugalmas és hordható elektronikai termékek alkalmazási lehetőségeit.
Az 5. ábra a tervezett akkumulátort fülhallgatókra, okosórákra, mini elektromos ventilátorokra, kozmetikai berendezésekre és okostelefonokra vonatkozik. A rugalmas akkumulátor táplálja (a) fülhallgatót, (b) okosórát és (c) mini elektromos ventilátort; d) kozmetikai berendezéseket lát el árammal; (e) különböző deformációs körülmények között a rugalmas akkumulátor táplálja az okostelefonokat.
Összefoglalva, ezt a cikket az emberi ízületek szerkezete ihlette. Egyedülálló tervezési módszert javasol nagy energiasűrűségű, többszörös deformálhatóságú és tartósságú rugalmas akkumulátor gyártására. A hagyományos rugalmas LIB-kkel összehasonlítva ezzel az új kialakítással hatékonyan elkerülhető a jelenlegi fémkollektor képlékeny deformációja. Ugyanakkor a jelen dokumentumban tervezett energiatároló egység mindkét végén lefoglalt ívelt felületek hatékonyan enyhíthetik az összekapcsolt alkatrészek helyi feszültségét. Ezenkívül a különböző tekercselési módszerek megváltoztathatják a köteg alakját, megfelelő deformálhatóságot biztosítva az akkumulátornak. A flexibilis akkumulátor kiváló ciklusstabilitást és mechanikai tartósságot mutat az újszerű kialakításnak köszönhetően, és széles körű alkalmazási lehetőségei vannak különféle rugalmas és hordható elektronikai termékekben.
Emberi ízületek által inspirált szerkezeti kialakítás hajlítható/összecsukható/nyújtható/csavarható akkumulátorokhoz: többszörös deformálhatóság elérése. (Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
válaszoljon 6 órán belül, bármilyen kérdést szívesen fogadunk!
