Gong Kong CityU EES: Moslashuvchan litiy-ion batareyasi inson bo'g'imlaridan ilhomlangan

Tadqiqot tarixi

Elektron mahsulotlarga talab ortib borayotgani so'nggi yillarda moslashuvchan va yuqori energiya zichligi saqlash qurilmalarining jadal rivojlanishiga yordam berdi. Moslashuvchan lityum-ion batareyalar Yuqori energiya zichligi va barqaror elektrokimyoviy ko'rsatkichlarga ega (LIB) taqiladigan elektron mahsulotlar uchun eng istiqbolli batareya texnologiyasi hisoblanadi. Yupqa plyonkali elektrodlar va polimer asosidagi elektrodlardan foydalanish LIBlarning moslashuvchanligini sezilarli darajada yaxshilagan bo'lsa-da, quyidagi muammolar mavjud:

(1) Ko'pgina moslashuvchan batareyalar "salbiy elektrod-separator-musbat elektrod" tomonidan yig'iladi va ularning cheklangan deformatsiyasi va ko'p qatlamli stacklar orasidagi sirg'alishi LIBlarning umumiy ishlashini cheklaydi;

(2) Katlama, cho'zish, o'rash va murakkab deformatsiya kabi ba'zi og'ir sharoitlarda u batareyaning ishlashini kafolatlay olmaydi;

(3) Dizayn strategiyasining bir qismi joriy metall kollektorining deformatsiyasiga e'tibor bermaydi.

Shu sababli, bir vaqtning o'zida uning engil egilish burchagi, bir nechta deformatsiya usullari, yuqori mexanik chidamlilik va yuqori energiya zichligiga erishish hali ham ko'p qiyinchiliklarga duch kelmoqda.

Kirish

Yaqinda Gonkong shahar universiteti professori Chunyi Zhi va doktor Cuiping Xan Energy Environ-da "Egilebilir/katlanadigan/cho'ziladigan/twistable batareya uchun inson qo'shma konstruktiv dizayni: ko'p deformatsiyaga erishish" nomli maqola chop etdi. Sci. Ushbu ish inson bo'g'imlarining tuzilishidan ilhomlangan va bo'g'inlar tizimiga o'xshash o'ziga xos moslashuvchan LIBlarni ishlab chiqqan. Ushbu yangi dizaynga asoslanib, tayyorlangan, moslashuvchan batareya yuqori energiya zichligiga erishishi va 180 ° da egilishi yoki hatto katlanishi mumkin. Shu bilan birga, strukturaviy strukturani turli xil o'rash usullari orqali o'zgartirish mumkin, shuning uchun moslashuvchan LIBlar boy deformatsiya qobiliyatiga ega bo'lishi mumkin, yanada jiddiy va murakkab deformatsiyalarga (o'rash va burish) qo'llanilishi va hatto cho'zilishi mumkin va ularning deformatsiya imkoniyatlari moslashuvchan LIBlar haqidagi oldingi hisobotlardan ancha yuqori. Cheklangan elementlar simulyatsiyasi tahlili shuni tasdiqladiki, ushbu maqolada ishlab chiqilgan batareya turli xil qattiq va murakkab deformatsiyalar ostida hozirgi metall kollektorning qaytarilmas plastik deformatsiyasiga duchor bo'lmaydi. Shu bilan birga, yig'ilgan kvadrat birlik batareyasi 371.9 Vt / L gacha energiya zichligiga erishishi mumkin, bu an'anaviy yumshoq paketli batareyaning 92.9% ni tashkil qiladi. Bundan tashqari, u 200,000 25,000 martadan ortiq dinamik egilish va XNUMX XNUMX marta dinamik buzilishdan keyin ham barqaror tsikl ish faoliyatini saqlab turishi mumkin.

Keyingi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, yig'ilgan silindrsimon birlik hujayra yanada jiddiy va murakkab deformatsiyalarga bardosh bera oladi. 100,000 20,000 dan ortiq dinamik cho'zish, 100,000 88 burilish va XNUMX XNUMX egilish deformatsiyasidan so'ng, u hali ham XNUMX% dan ortiq yuqori quvvatga erishishi mumkin - ushlab turish darajasi. Shu sababli, ushbu maqolada taklif qilingan moslashuvchan LIBlar taqiladigan elektronikada amaliy qo'llanmalar uchun katta istiqbolni taqdim etadi.

Tadqiqot voqealari

1) Inson bo'g'inlaridan ilhomlangan moslashuvchan LIBlar egilish, burish, cho'zish va o'rash deformatsiyalari ostida barqaror aylanish ko'rsatkichlarini saqlab turishi mumkin;

(2) Kvadrat moslashuvchan batareya bilan u 371.9 Vt / L gacha energiya zichligiga erishishi mumkin, bu an'anaviy yumshoq paketli batareyaning 92.9% ni tashkil qiladi;

(3) Turli xil o'rash usullari batareyalar to'plamining shaklini o'zgartirishi va batareyaga etarli darajada deformatsiyani berishi mumkin.

Grafik qo'llanma

Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, yuqori hajmli energiya zichligi va yanada murakkab deformatsiyani ta'minlashdan tashqari, strukturaviy dizayn oqim kollektorining plastik deformatsiyasidan ham qochishi kerak. Cheklangan elementlarning simulyatsiyasi shuni ko'rsatadiki, oqim kollektorining eng yaxshi usuli, oqim kollektorining plastik deformatsiyasi va qaytarilmas shikastlanishiga yo'l qo'ymaslik uchun bükme jarayonida oqim kollektorining kichik egilish radiusiga ega bo'lishining oldini olish bo'lishi kerak.

Shakl 1a inson bo'g'imlarining tuzilishini ko'rsatadi, unda aqlli kattaroq kavisli sirt dizayni bo'g'inlarning silliq aylanishiga yordam beradi. Bunga asoslanib, 1b-rasmda kvadrat qalin stack tuzilishiga o'ralishi mumkin bo'lgan tipik grafit anod / diafragma / lityum kobaltat (LCO) anod ko'rsatilgan. Birlashmada u ikkita qalin qattiq stack va moslashuvchan qismdan iborat. Eng muhimi shundaki, qalin stack qo'shma suyak qopqog'iga teng bo'lgan kavisli sirtga ega, bu esa bufer bosimiga yordam beradi va moslashuvchan batareyaning asosiy quvvatini ta'minlaydi. Elastik qism ligament vazifasini bajaradi, qalin stacklarni bog'laydi va moslashuvchanlikni ta'minlaydi (1c-rasm). Kvadrat qoziqqa o'rashga qo'shimcha ravishda silindrsimon yoki uchburchak hujayrali batareyalar o'rash usulini o'zgartirish orqali ham ishlab chiqarilishi mumkin (1d-rasm). Kvadrat energiya saqlash bloklari bo'lgan moslashuvchan LIBlar uchun bir-biriga bog'langan segmentlar bükme jarayonida qalin stackning yoy shaklidagi yuzasi bo'ylab aylanadi (1e-rasm), shu bilan moslashuvchan batareyaning energiya zichligini sezilarli darajada oshiradi. Bundan tashqari, elastik polimer inkapsulyatsiyasi orqali silindrsimon birliklarga ega moslashuvchan LIBlar cho'ziladigan va moslashuvchan xususiyatlarga erishishi mumkin (1f-rasm).

Shakl 1 (a) Moslashuvchanlikka erishish uchun noyob ligament aloqasi va kavisli sirt dizayni muhim ahamiyatga ega; (b) moslashuvchan batareya tuzilishi va ishlab chiqarish jarayonining sxematik diagrammasi; (c) suyak qalinroq elektrod to'plamiga to'g'ri keladi va ligament o'ralgan holda mos keladi (D) silindrsimon va uchburchak hujayrali moslashuvchan batareya tuzilishi; (e) kvadrat kataklarning stacking sxematik diagrammasi; (f) silindrsimon hujayralarning cho'zilgan deformatsiyasi.

Mexanik simulyatsiya tahlilidan keyingi foydalanish moslashuvchan batareya strukturasining barqarorligini tasdiqladi. Shakl 2a mis va alyuminiy folga silindrga (180 ° radian) egilganida kuchlanish taqsimotini ko'rsatadi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, mis va alyuminiy folga kuchlanishi ularning oqish kuchidan ancha past bo'lib, bu deformatsiya plastik deformatsiyaga olib kelmasligini ko'rsatadi. Hozirgi metall kollektori qaytarib bo'lmaydigan shikastlanishdan qochishi mumkin.

2b-rasmda egilish darajasi yanada oshirilganda kuchlanish taqsimoti ko'rsatilgan va mis folga va alyuminiy folga stressi ham ularning mos keladigan oqim kuchidan kamroq bo'ladi. Shuning uchun struktura yaxshi chidamlilikni saqlab, katlama deformatsiyasiga bardosh bera oladi. Bükme deformatsiyasiga qo'shimcha ravishda, tizim ma'lum darajadagi buzilishlarga erishishi mumkin (2c-rasm).

Silindrsimon birliklari bo'lgan batareyalar uchun aylananing o'ziga xos xususiyatlari tufayli u yanada jiddiy va murakkab deformatsiyaga erishishi mumkin. Shuning uchun, batareya 180o gacha katlanganda (2d-rasm, e), dastlabki uzunlikning taxminan 140% gacha cho'zilganda (2f-rasm) va 90o ga buralganda (2g-rasm), u mexanik barqarorlikni saqlab turishi mumkin. Bundan tashqari, egilish + burish va o'rash deformatsiyasi alohida qo'llanilganda, loyihalashtirilgan LIBs strukturasi turli xil og'ir va murakkab deformatsiyalar ostida joriy metall kollektorining qaytarilmas plastik deformatsiyasiga olib kelmaydi.

2-rasm (ac) Kvadrat katakchaning egilish, buklanish va burish holatidagi chekli elementlar simulyatsiyasi natijalari; (di) silindrsimon hujayraning egilish, katlama, cho'zish, burish, egilish + burish va o'rashda chekli elementlar simulyatsiyasi natijalari.

Moslashtirilgan moslashuvchan batareyaning elektrokimyoviy ish faoliyatini baholash uchun LiCoO2 deşarj quvvati va aylanish barqarorligini sinash uchun katod materiali sifatida ishlatilgan. 3a-rasmda ko'rsatilganidek, kvadrat hujayrali batareyaning zaryadsizlanish quvvati tekislik 1 C kattalashtirishda egilish, halqalash, katlama va burish uchun deformatsiyalangandan so'ng sezilarli darajada kamaymaydi, bu mexanik deformatsiyaning dizayniga olib kelmaydi. moslashuvchan batareya elektrokimyoviy bo'lishi Ishlash pasayadi. Dinamik egilish (3c-rasm, d) va dinamik burilish (3e, f-rasm) va ma'lum miqdordagi aylanishlardan keyin ham zaryadlash va zaryadlash platformasi va uzoq tsikldagi ishlash ko'rinadigan o'zgarishlarga ega emas, ya'ni ichki tuzilishi batareya yaxshi himoyalangan.

3-rasm (a) 1C ostida kvadrat batareyani zaryadlash va tushirish sinovi; b) turli sharoitlarda zaryadlash va tushirish egri chizig'i; (c, d) Dinamik egilish ostida, akkumulyator aylanishining ishlashi va mos keladigan zaryadlash va tushirish egri chizig'i; (e, f) Dinamik buralish ostida, batareyaning aylanish ko'rsatkichi va turli davrlarda mos keladigan zaryadlash-deşarj egri chizig'i.

Simulyatsiya tahlili natijalari shuni ko'rsatadiki, aylananing o'ziga xos xususiyatlari tufayli silindrsimon elementlarga ega egiluvchan LIBlar yanada ekstremal va murakkab deformatsiyalarga bardosh bera oladi. Shuning uchun silindrsimon blokning egiluvchan LIBlarining elektrokimyoviy ko'rsatkichlarini ko'rsatish uchun sinov 1 S tezlikda o'tkazildi, bu akkumulyator har xil deformatsiyalarga uchraganida, elektrokimyoviy ko'rsatkichlarda deyarli o'zgarmasligini ko'rsatdi. Deformatsiya kuchlanish egri chizig'ining o'zgarishiga olib kelmaydi (4a, b-rasm).

Silindrsimon akkumulyatorning elektrokimyoviy barqarorligi va mexanik chidamliligini yanada baholash uchun u akkumulyatorni 1 S tezlikda dinamik avtomatlashtirilgan yuk sinovidan o'tkazdi. Tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, dinamik cho'zishdan so'ng (4c, d-rasm), dinamik burilish (4e, f-rasm). , va dinamik egilish + buralish (4g-rasm, h), batareyani zaryadlash-bo'shatish davrining ishlashi va mos keladigan kuchlanish egri ta'sir qilmaydi. 4i-rasmda rangli energiya saqlash blokiga ega batareyaning ishlashi ko'rsatilgan. Chiqarish quvvati 133.3 mAm g-1 dan 129.9 mAh g-1 gacha pasayadi va har bir tsikldagi quvvat yo'qolishi atigi 0.04% ni tashkil qiladi, bu deformatsiya uning tsiklining barqarorligi va tushirish quvvatiga ta'sir qilmasligini ko'rsatadi.

4-rasm (a) 1 C da silindrsimon hujayralarning turli konfiguratsiyasini zaryadlash va tushirish davri sinovi; (b) turli sharoitlarda batareyaning mos keladigan zaryadlash va tushirish egri chiziqlari; (c, d) tsiklning ishlashi va dinamik kuchlanish ostida batareyaning zaryadlanishi Raqamsizlanish egri chizig'i; (e, f) dinamik burilish ostida batareyaning aylanish ko'rsatkichlari va turli davrlarda mos keladigan zaryadlash va tushirish egri chizig'i; (g, h) dinamik egilish + buralish ostida batareyaning aylanish ko'rsatkichi va turli davrlarda mos keladigan zaryad-to'kis egri chizig'i; (I) 1 C da turli xil konfiguratsiyaga ega prizmatik birlik akkumulyatorlarini zaryadlash va tushirish sinovi.

Ishlab chiqilgan moslashuvchan batareyaning amalda qo'llanilishini baholash uchun muallif quloqchinlar, aqlli soatlar, mini elektr fanatlar, kosmetika asboblari va smartfonlar kabi ba'zi tijorat elektron mahsulotlarni quvvatlantirish uchun har xil turdagi energiya saqlash bloklari bilan to'liq batareyalardan foydalanadi. Har ikkisi ham kundalik foydalanish uchun etarli bo'lib, turli xil moslashuvchan va taqiladigan elektron mahsulotlarni qo'llash imkoniyatlarini to'liq o'zida mujassam etgan.

5-rasmda ishlab chiqilgan akkumulyator quloqchinlar, aqlli soatlar, mini elektr fanatlar, kosmetika jihozlari va smartfonlarga qo'llaniladi. Moslashuvchan batareya (a) naushniklar, (b) aqlli soatlar va (c) mini elektr fanatlar uchun quvvat beradi; (d) kosmetika asbob-uskunalarini quvvat bilan ta'minlaydi; (e) turli deformatsiya sharoitida moslashuvchan batareya smartfonlar uchun quvvat beradi.

Xulosa va istiqbol

Xulosa qilib aytganda, ushbu maqola inson bo'g'imlarining tuzilishidan ilhomlangan. Bu yuqori energiya zichligi, ko'p deformatsiya va chidamlilik bilan moslashuvchan batareyani ishlab chiqarish uchun noyob dizayn usulini taklif qiladi. An'anaviy moslashuvchan LIBlar bilan taqqoslaganda, ushbu yangi dizayn joriy metall kollektorining plastik deformatsiyasidan samarali ravishda qochishi mumkin. Shu bilan birga, ushbu maqolada ishlab chiqilgan energiya saqlash blokining har ikki uchida saqlangan kavisli yuzalar bir-biriga bog'langan komponentlarning mahalliy kuchlanishini samarali ravishda bartaraf etishi mumkin. Bunga qo'shimcha ravishda, turli xil o'rash usullari stackning shaklini o'zgartirishi mumkin, bu esa batareyaga etarlicha deformatsiyani beradi. Moslashuvchan batareya yangi dizayni tufayli mukammal tsikl barqarorligi va mexanik chidamliligini namoyish etadi va turli xil moslashuvchan va taqiladigan elektron mahsulotlarda keng qo'llash istiqbollariga ega.

Adabiyot havolasi

Bukiladigan / yig'iladigan / cho'ziladigan / buraladigan batareya uchun inson qo'shma konstruktiv dizayni: bir nechta deformatsiyaga erishish. (Energiya muhiti. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)