By hoppt
A crecente demanda de produtos electrónicos promoveu o rápido desenvolvemento de dispositivos de almacenamento flexibles e de alta densidade de enerxía nos últimos anos. Baterías flexibles de iones de litio (LIB) con alta densidade de enerxía e rendemento electroquímico estable considéranse a tecnoloxía de batería máis prometedora para produtos electrónicos wearables. Aínda que o uso de electrodos de película fina e electrodos baseados en polímeros mellora drasticamente a flexibilidade dos LIB, hai os seguintes problemas:
(1) A maioría das baterías flexibles están apiladas por "electrodo negativo-separador-positivo" e a súa limitada deformabilidade e deslizamento entre pilas multicapa restrinxen o rendemento global dos LIB;
(2) En condicións máis severas, como dobrar, estirar, enrolar e deformar complexas, non pode garantir o rendemento da batería;
(3) Parte da estratexia de deseño ignora a deformación do colector de metal actual.
Polo tanto, conseguir simultáneamente o seu lixeiro ángulo de flexión, múltiples modos de deformación, unha durabilidade mecánica superior e unha alta densidade de enerxía aínda ten moitos desafíos.
Recentemente, o profesor Chunyi Zhi e o doutor Cuiping Han da Universidade da cidade de Hong Kong publicaron un artigo titulado "Deseño estrutural inspirado en articulacións humanas para a batería flexible/plegable/estirable/torcerable: lograr unha deformabilidade múltiple" sobre Energy Environ. Sci. Este traballo inspirouse na estrutura das articulacións humanas e deseñou unha especie de LIB flexibles semellantes ao sistema articular. Con base neste deseño novedoso, a batería flexible preparada pode alcanzar unha alta densidade de enerxía e dobrarse ou mesmo dobrarse a 180°. Ao mesmo tempo, a estrutura estrutural pódese cambiar a través de diferentes métodos de enrolamento para que os LIB flexibles teñan ricas capacidades de deformación, poidan aplicarse a deformacións máis severas e complexas (enrolamento e torsión) e incluso se poidan estirar e as súas capacidades de deformación son moito máis alá dos informes anteriores de LIB flexibles. A análise de simulación de elementos finitos confirmou que a batería deseñada neste traballo non sufriría unha deformación plástica irreversible do colector de metal actual baixo varias deformacións duras e complexas. Ao mesmo tempo, a batería da unidade cadrada ensamblada pode acadar unha densidade de enerxía de ata 371.9 Wh/L, que é o 92.9% da batería tradicional do paquete suave. Ademais, pode manter un rendemento estable do ciclo mesmo despois de máis de 200,000 veces de flexión dinámica e 25,000 veces de distorsión dinámica.
Investigacións posteriores mostran que a célula unitaria cilíndrica ensamblada pode soportar deformacións máis severas e complexas. Despois de máis de 100,000 estiramentos dinámicos, 20,000 xiros e 100,000 deformacións de flexión, aínda pode acadar unha alta capacidade de máis do 88% de taxa de retención. Polo tanto, os LIB flexibles propostos neste artigo proporcionan unha perspectiva masiva de aplicacións prácticas na electrónica wearable.
1) Os LIB flexibles, inspirados nas articulacións humanas, poden manter un rendemento estable do ciclo baixo deformacións de flexión, torsión, estiramento e enrolamento;
(2) Cunha batería flexible cadrada, pode acadar unha densidade de enerxía de ata 371.9 Wh/L, que é o 92.9% da batería tradicional de paquete suave;
(3) Diferentes métodos de enrolamento poden cambiar a forma da pila de batería e darlle á batería suficiente deformabilidade.
1. Deseño de novo tipo de LIB flexible biónico
A investigación demostrou que, ademais de garantir unha densidade de enerxía de gran volume e unha deformación máis complexa, o deseño estrutural tamén debe evitar a deformación plástica do colector actual. A simulación de elementos finitos mostra que o mellor método do colector de corrente debe ser evitar que o colector de corrente teña un pequeno radio de curvatura durante o proceso de curvatura para evitar a deformación plástica e os danos irreversibles do colector de corrente.
A figura 1a mostra a estrutura das articulacións humanas, na que o deseño da superficie curva máis intelixente axuda ás articulacións a xirar suavemente. En base a isto, a Figura 1b mostra un ánodo de grafito/diafragma/cobaltato de litio (LCO) típico, que se pode enrolar nunha estrutura de pila cadrada grosa. No cruce, consta de dúas pilas ríxidas e grosas e unha parte flexible. Máis importante aínda, a pila grosa ten unha superficie curva equivalente á cuberta ósea da articulación, o que axuda a amortiguar a presión e proporciona a capacidade principal da batería flexible. A parte elástica actúa como un ligamento, conectando pilas grosas e proporcionando flexibilidade (Figura 1c). Ademais de enrolarse nunha pila cadrada, tamén se poden fabricar baterías con celas cilíndricas ou triangulares cambiando o método de enrolamento (Figura 1d). Para os LIB flexibles con unidades cadradas de almacenamento de enerxía, os segmentos interconectados rolarán ao longo da superficie en forma de arco da pila grosa durante o proceso de dobrado (Figura 1e), aumentando así significativamente a densidade de enerxía da batería flexible. Ademais, a través da encapsulación de polímeros elásticos, os LIB flexibles con unidades cilíndricas poden acadar propiedades estirables e flexibles (Figura 1f).
Figura 1 (a) O deseño dunha conexión de ligamento única e da superficie curva é esencial para lograr a flexibilidade; (b) Diagrama esquemático da estrutura flexible da batería e do proceso de fabricación; (c) o óso corresponde a unha pila de electrodos máis groso e o ligamento corresponde a un desenrolado (D) Estrutura de batería flexible con celas cilíndricas e triangulares; (e) Diagrama esquemático de apilado de celas cadradas; (f) Deformación por estiramento das células cilíndricas.
2. Análise de simulación de elementos finitos
O uso posterior da análise de simulación mecánica confirmou a estabilidade da estrutura flexible da batería. A figura 2a mostra a distribución de tensións do cobre e da folla de aluminio cando se dobra nun cilindro (180 ° radiáns). Os resultados mostran que a tensión do cobre e da folla de aluminio é moito menor que o seu límite de fluencia, o que indica que esta deformación non provocará deformación plástica. O colector de metal actual pode evitar danos irreversibles.
A figura 2b mostra a distribución da tensión cando o grao de flexión aumenta aínda máis, e a tensión da folla de cobre e da folla de aluminio tamén é menor que o seu correspondente límite de fluencia. Polo tanto, a estrutura pode soportar a deformación do pregamento mantendo unha boa durabilidade. Ademais da deformación por flexión, o sistema pode acadar un certo grao de distorsión (Figura 2c).
Para as baterías con unidades cilíndricas, debido ás características inherentes do círculo, pode lograr unha deformación máis severa e complexa. Polo tanto, cando a batería está dobrada ata 180o (Figura 2d, e), estirada ata un 140% da lonxitude orixinal (Figura 2f) e torcida ata 90o (Figura 2g), pode manter a estabilidade mecánica. Ademais, cando se aplican deformacións de flexión + torsión e enrolamento por separado, a estrutura de LIB deseñada non causará deformación plástica irreversible do colector de metal actual baixo varias deformacións severas e complexas.
Figura 2 (ac) Resultados da simulación de elementos finitos dunha cela cadrada baixo flexión, pregamento e torsión; (di) Resultados da simulación de elementos finitos dunha célula cilíndrica baixo flexión, pregamento, estiramento, torsión, flexión + torsión e enrolamento.
3. Rendemento electroquímico dos LIB flexibles da unidade cadrada de almacenamento de enerxía
Para avaliar o rendemento electroquímico da batería flexible deseñada, utilizouse LiCoO2 como material do cátodo para probar a capacidade de descarga e a estabilidade do ciclo. Como se mostra na Figura 3a, a capacidade de descarga da batería con celas cadradas non se reduce significativamente despois de que o avión se deforme para dobrarse, anel, dobrarse e torcerse cun aumento de 1 C, o que significa que a deformación mecánica non causará o deseño de a batería flexible para ser electroquímicamente O rendemento cae. Mesmo despois de flexión dinámica (Figura 3c, d) e torsión dinámica (Figura 3e, f) e despois dun certo número de ciclos, a plataforma de carga e descarga e o rendemento de ciclo longo non teñen cambios aparentes, o que significa que a estrutura interna de a batería está ben protexida.
Figura 3 (a) Proba de carga e descarga da batería cadrada baixo 1C; (b) Curva de carga e descarga en diferentes condicións; (c, d) En flexión dinámica, rendemento do ciclo da batería e curva de carga e descarga correspondente; (e, f) En torsión dinámica, o rendemento do ciclo da batería e a correspondente curva de carga-descarga en diferentes ciclos.
4. Rendemento electroquímico dos LIB flexibles da unidade de almacenamento de enerxía cilíndrica
Os resultados da análise da simulación mostran que grazas ás características inherentes ao círculo, os LIB flexibles con elementos cilíndricos poden soportar deformacións máis extremas e complexas. Polo tanto, para demostrar o rendemento electroquímico dos LIB flexibles da unidade cilíndrica, a proba realizouse a unha velocidade de 1 C, o que demostrou que cando a batería sofre varias deformacións, case non hai cambios no rendemento electroquímico. A deformación non fará que a curva de tensión cambie (Figura 4a, b).
Para avaliar aínda máis a estabilidade electroquímica e a durabilidade mecánica da batería cilíndrica, someteuse a batería a unha proba de carga dinámica automática a unha taxa de 1 C. A investigación mostra que despois do estiramento dinámico (Figura 4c, d), a torsión dinámica (Figura 4e, f) , e flexión dinámica + torsión (Figura 4g, h), o rendemento do ciclo de carga-descarga da batería e a curva de tensión correspondente non se ven afectados. A figura 4i mostra o rendemento dunha batería cunha unidade de almacenamento de enerxía colorida. A capacidade de descarga diminúe de 133.3 mAm g-1 a 129.9 mAh g-1, e a perda de capacidade por ciclo é só do 0.04%, o que indica que a deformación non afectará á súa estabilidade do ciclo e á súa capacidade de descarga.
Figura 4 (a) Proba do ciclo de carga e descarga de diferentes configuracións de celas cilíndricas a 1 C; (b) Curvas de carga e descarga correspondentes da batería en diferentes condicións; (c, d) Rendemento do ciclo e carga da batería baixo tensión dinámica Curva de descarga; (e, f) o rendemento do ciclo da batería baixo torsión dinámica e a correspondente curva de carga-descarga en diferentes ciclos; (g, h) o rendemento do ciclo da batería en flexión + torsión dinámica e a correspondente curva de carga-descarga en diferentes ciclos; (I) Proba de carga e descarga de baterías de unidades prismáticas con diferentes configuracións a 1 C.
5. Aplicación de produtos electrónicos flexibles e wearables
Para avaliar a aplicación da batería flexible desenvolvida na práctica, o autor utiliza baterías completas con diferentes tipos de unidades de almacenamento de enerxía para alimentar algúns produtos electrónicos comerciais, como auriculares, reloxos intelixentes, miniventiladores eléctricos, instrumentos cosméticos e teléfonos intelixentes. Ambos son suficientes para o uso diario, encarnan plenamente o potencial de aplicación de varios produtos electrónicos flexibles e portátiles.
A Figura 5 aplica a batería deseñada a auriculares, reloxos intelixentes, miniventiladores eléctricos, equipos cosméticos e teléfonos intelixentes. A batería flexible proporciona enerxía para (a) auriculares, (b) reloxos intelixentes e (c) miniventiladores eléctricos; (d) subministra enerxía para equipos cosméticos; (e) en diferentes condicións de deformación, a batería flexible proporciona enerxía aos teléfonos intelixentes.
En resumo, este artigo está inspirado na estrutura das articulacións humanas. Propón un método de deseño único para fabricar unha batería flexible con alta densidade de enerxía, deformabilidade múltiple e durabilidade. En comparación cos LIB flexibles tradicionais, este novo deseño pode evitar eficazmente a deformación plástica do colector de metal actual. Ao mesmo tempo, as superficies curvas reservadas nos dous extremos da unidade de almacenamento de enerxía deseñada neste documento poden aliviar eficazmente o estrés local dos compoñentes interconectados. Ademais, diferentes métodos de enrolamento poden cambiar a forma da pila, dándolle á batería suficiente deformabilidade. A batería flexible presenta unha excelente estabilidade de ciclo e durabilidade mecánica grazas ao novo deseño e ten amplas perspectivas de aplicación en varios produtos electrónicos flexibles e portátiles.
Deseño estrutural inspirado en articulacións humanas para batería plegable/plegable/estirable/torcible: conseguindo deformabilidade múltiple. (Enerxía Ambiente. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
responder dentro de 6 horas, calquera pregunta é benvida!
