Hong Kong CityU EES: Flexibelt litiumjonbatteri inspirerat av mänskliga leder

Forskningsbakgrund

Den ökande efterfrågan på elektroniska produkter har främjat den snabba utvecklingen av flexibla lagringsenheter med hög energidensitet de senaste åren. Flexibla litiumjonbatterier (LIB) med hög energitäthet och stabil elektrokemisk prestanda anses vara den mest lovande batteriteknologin för bärbara elektroniska produkter. Även om användningen av tunnfilmselektroder och polymerbaserade elektroder dramatiskt förbättrar flexibiliteten hos LIB, finns det följande problem:

(1) De flesta flexibla batterier staplas av "negativ elektrod-separator-positiv elektrod", och deras begränsade deformerbarhet och glidning mellan flerskiktsstaplar begränsar den övergripande prestandan för LIB:er;

(2) Under vissa svårare förhållanden, såsom vikning, sträckning, lindning och komplex deformation, kan den inte garantera batteriprestanda;

(3) En del av designstrategin ignorerar deformationen av den nuvarande metallsamlaren.

Att samtidigt uppnå sin lätta böjningsvinkel, flera deformationslägen, överlägsen mekanisk hållbarhet och höga energitäthet står därför fortfarande inför många utmaningar.

Beskrivning

Nyligen publicerade professor Chunyi Zhi och Dr. Cuiping Han vid City University of Hong Kong en artikel med titeln "Human joint inspired structural design for flexable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability" on Energy Environ. Sci. Detta arbete inspirerades av strukturen hos mänskliga leder och designade ett slags flexibla LIBs som liknar ledsystemet. Baserat på denna nya design kan det förberedda, flexibla batteriet uppnå hög energitäthet och böjas eller till och med vikas i 180°. Samtidigt kan den strukturella strukturen ändras genom olika lindningsmetoder så att flexibla LIB:er har rik deformationsförmåga, kan appliceras på mer allvarliga och komplexa deformationer (lindning och vridning) och kan till och med sträckas, och deras deformationsförmåga är långt bortom tidigare rapporter om flexibla LIB. Finita element-simuleringsanalys bekräftade att batteriet designat i detta dokument inte skulle genomgå irreversibel plastisk deformation av den nuvarande metallsamlaren under olika hårda och komplexa deformationer. Samtidigt kan det sammansatta fyrkantiga enhetens batteri uppnå en energitäthet på upp till 371.9 Wh/L, vilket är 92.9 % av det traditionella softpack-batteriet. Dessutom kan den bibehålla stabil cykelprestanda även efter mer än 200,000 25,000 gånger av dynamisk böjning och XNUMX XNUMX gånger av dynamisk distorsion.

Ytterligare forskning visar att den sammansatta cylindriska enhetscellen tål mer allvarliga och komplexa deformationer. Efter mer än 100,000 20,000 dynamiska sträckningar, 100,000 88 vridningar och XNUMX XNUMX böjningsdeformationer kan den fortfarande uppnå en hög kapacitet på mer än XNUMX % – retentionsgrad. Därför ger de flexibla LIB:er som föreslås i detta dokument ett enormt perspektiv för praktiska tillämpningar inom bärbar elektronik.

Forskning höjdpunkter

1) Flexibla LIBs, inspirerade av mänskliga leder, kan upprätthålla stabil cykelprestanda under böjning, vridning, sträckning och lindningsdeformationer;

(2) Med ett fyrkantigt flexibelt batteri kan det uppnå en energitäthet på upp till 371.9 Wh/L, vilket är 92.9 % av det traditionella mjuka batteriet;

(3) Olika lindningsmetoder kan ändra formen på batteristapeln och ge batteriet tillräcklig deformerbarhet.

Grafisk guide

Forskning har visat att, förutom att säkerställa hög volymenergitäthet och mer komplex deformation, måste den strukturella designen också undvika plastisk deformation av strömavtagaren. Simuleringen av finita element visar att den bästa metoden för strömavtagaren bör vara att förhindra att strömavtagaren har en liten böjradie under böjningsprocessen för att undvika plastisk deformation och irreversibel skada på strömavtagaren.

Figur 1a visar strukturen hos de mänskliga lederna, där den smarta större krökta ytan hjälper lederna att rotera mjukt. Baserat på detta visar figur 1b en typisk grafitanod/membran/litiumkoboltat (LCO)-anod, som kan lindas till en kvadratisk tjock stapelstruktur. I korsningen består den av två tjocka stela staplar och en flexibel del. Ännu viktigare är att den tjocka stapeln har en krökt yta som motsvarar ledbensskyddet, vilket hjälper till att bufferttrycka och ger det flexibla batteriets primära kapacitet. Den elastiska delen fungerar som ett ligament, förbinder tjocka staplar och ger flexibilitet (Figur 1c). Förutom att linda till en fyrkantig hög kan batterier med cylindriska eller triangulära celler också tillverkas genom att ändra lindningsmetoden (Figur 1d). För flexibla LIB:er med kvadratiska energilagringsenheter kommer de sammankopplade segmenten att rulla längs den bågformade ytan av den tjocka stapeln under böjningsprocessen (Figur 1e), vilket avsevärt ökar energitätheten för det flexibla batteriet. Dessutom, genom elastisk polymerinkapsling, kan flexibla LIB:er med cylindriska enheter uppnå töjbara och flexibla egenskaper (Figur 1f).

Figur 1 (a) Utformningen av unik ligamentanslutning och krökt yta är avgörande för att uppnå flexibilitet; (b) Schematiskt diagram över flexibel batteristruktur och tillverkningsprocess; (c) ben motsvarar tjockare elektrodstapel, och ligament motsvarar utrullad (D) Flexibel batteristruktur med cylindriska och triangulära celler; (e) Schematisk stapling av kvadratiska celler; (f) Sträckande deformation av cylindriska celler.

Ytterligare användning av mekanisk simuleringsanalys bekräftade stabiliteten hos den flexibla batteristrukturen. Figur 2a visar spänningsfördelningen av koppar- och aluminiumfolie när de böjs till en cylinder (180° radian). Resultaten visar att spänningen från koppar- och aluminiumfolie är mycket lägre än deras sträckgräns, vilket indikerar att denna deformation inte kommer att orsaka plastisk deformation. Den nuvarande metallsamlaren kan undvika oåterkalleliga skador.

Figur 2b visar spänningsfördelningen när böjningsgraden ökas ytterligare, och spänningen för kopparfolie och aluminiumfolie är också mindre än deras motsvarande sträckgräns. Därför kan strukturen motstå vikdeformation samtidigt som den bibehåller god hållbarhet. Förutom böjdeformation kan systemet uppnå en viss grad av distorsion (Figur 2c).

För batterier med cylindriska enheter, på grund av cirkelns inneboende egenskaper, kan den uppnå mer allvarlig och komplex deformation. Därför, när batteriet viks till 180o (Figur 2d, e), sträcks till cirka 140 % av den ursprungliga längden (Figur 2f) och vrids till 90o (Figur 2g), kan det bibehålla mekanisk stabilitet. Dessutom, när böjning + vridning och lindningsdeformation appliceras separat, kommer den designade LIB-strukturen inte att orsaka irreversibel plastisk deformation av den nuvarande metallsamlaren under olika svåra och komplexa deformationer.

Figur 2 (ac) Finita elementsimuleringsresultat av en kvadratisk cell under böjning, vikning och vridning; (di) Finita elementsimuleringsresultat av en cylindrisk cell under böjning, vikning, sträckning, vridning, böjning + vridning och lindning.

För att utvärdera den elektrokemiska prestandan hos det designade flexibla batteriet användes LiCoO2 som katodmaterial för att testa urladdningskapaciteten och cykelstabiliteten. Som visas i figur 3a minskas inte urladdningskapaciteten för batteriet med fyrkantiga celler nämnvärt efter att planet har deformerats för att böjas, ringas, vikas och vrids vid 1 C förstoring, vilket innebär att den mekaniska deformationen inte kommer att orsaka utformningen av det flexibla batteriet ska vara elektrokemiskt Prestanda sjunker. Även efter dynamisk böjning (Figur 3c, d) och dynamisk vridning (Figur 3e, f), och efter ett visst antal cykler, har laddnings- och urladdningsplattformen och långcykelprestanda inga uppenbara förändringar, vilket innebär att den interna strukturen av batteriet är väl skyddat.

Figur 3 (a) Laddnings- och urladdningstest av fyrkantsbatteri under 1C; (b) Laddnings- och urladdningskurva under olika förhållanden; (c, d) Under dynamisk böjning, battericykelprestanda och motsvarande laddnings- och urladdningskurva; (e, f) Under dynamisk torsion, batteriets cykelprestanda och motsvarande laddnings-urladdningskurva under olika cykler.

Simuleringsanalysresultaten visar att tack vare cirkelns inneboende egenskaper kan de flexibla LIB:erna med cylindriska element motstå mer extrema och komplexa deformationer. Därför, för att demonstrera den elektrokemiska prestandan hos de flexibla LIB:erna i den cylindriska enheten, utfördes testet med en hastighet av 1 C, vilket visade att när batteriet genomgår olika deformationer, är det nästan ingen förändring i den elektrokemiska prestandan. Deformationen kommer inte att göra att spänningskurvan ändras (Figur 4a, b).

För att ytterligare utvärdera det cylindriska batteriets elektrokemiska stabilitet och mekaniska hållbarhet, utsatte det batteriet för ett dynamiskt automatiserat belastningstest med en hastighet av 1 C. Forskning visar att efter dynamisk sträckning (Figur 4c, d), dynamisk torsion (Figur 4e, f) , och dynamisk böjning + vridning (Figur 4g, h), batteriets laddnings-urladdningscykels prestanda och motsvarande spänningskurva påverkas inte. Figur 4i visar prestandan för ett batteri med en färgstark energilagringsenhet. Urladdningskapaciteten avtar från 133.3 mAm g-1 till 129.9 mAh g-1, och kapacitetsförlusten per cykel är endast 0.04 %, vilket indikerar att deformation inte kommer att påverka dess cykelstabilitet och urladdningskapacitet.

Figur 4 (a) Laddnings- och urladdningscykeltest av olika konfigurationer av cylindriska celler vid 1 C; (b) Motsvarande laddnings- och urladdningskurvor för batteriet under olika förhållanden; (c, d) Cykelprestanda och laddning av batteriet under dynamisk spänning Urladdningskurva; e, f) Batteriets cykelprestanda under dynamisk torsion och motsvarande laddnings-urladdningskurva under olika cykler. (g, h) batteriets cykelprestanda under dynamisk böjning + vridning och motsvarande laddnings-urladdningskurva under olika cykler. (I) Laddnings- och urladdningstest av prismatiska enhetsbatterier med olika konfigurationer vid 1 C.

För att utvärdera tillämpningen av det utvecklade flexibla batteriet i praktiken använder författaren fulla batterier med olika typer av energilagringsenheter för att driva vissa kommersiella elektroniska produkter, såsom hörlurar, smartklockor, elektriska minifläktar, kosmetiska instrument och smarta telefoner. Båda är tillräckliga för dagligt bruk, förkroppsligar till fullo applikationspotentialen hos olika flexibla och bärbara elektroniska produkter.

Figur 5 tillämpar det designade batteriet på hörlurar, smartklockor, elektriska minifläktar, kosmetisk utrustning och smartphones. Det flexibla batteriet förser (a) hörlurar, (b) smartklockor och (c) elektriska minifläktar; d) levererar ström till kosmetisk utrustning. (e) under olika deformationsförhållanden ger det flexibla batteriet ström till smartphones.

Sammanfattning och utsikter

Sammanfattningsvis är den här artikeln inspirerad av strukturen hos mänskliga leder. Den föreslår en unik designmetod för att tillverka ett flexibelt batteri med hög energitäthet, multipel deformerbarhet och hållbarhet. Jämfört med traditionella flexibla LIB:er kan denna nya design effektivt undvika plastisk deformation av den nuvarande metallsamlaren. Samtidigt kan de krökta ytorna som är reserverade i båda ändarna av energilagringsenheten som utformats i detta dokument effektivt lindra den lokala spänningen hos de sammankopplade komponenterna. Dessutom kan olika lindningsmetoder ändra formen på stapeln, vilket ger batteriet tillräcklig deformerbarhet. Det flexibla batteriet uppvisar utmärkt cykelstabilitet och mekanisk hållbarhet tack vare den nya designen och har omfattande användningsmöjligheter i olika flexibla och bärbara elektroniska produkter.

Litteraturlänk

Mänsklig ledinspirerad strukturell design för böjbart/vikbart/töjbart/vridbart batteri: uppnår multipel deformerbarhet. (Energimiljö. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)