Hong Kong CityU EES: адам буындарынан шабыттандырылған икемді литий-ионды батарея

Зерттеудің негіздері

Электрондық өнімдерге сұраныстың артуы соңғы жылдары икемді және жоғары энергия тығыздығы бар сақтау құрылғыларының қарқынды дамуына ықпал етті. Литий-ионды икемді батареялар Жоғары энергия тығыздығы және тұрақты электрохимиялық өнімділігі бар (LIBs) киілетін электрондық өнімдер үшін ең перспективалы батарея технологиясы болып саналады. Жұқа пленкалы электродтарды және полимер негізіндегі электродтарды пайдалану LIB икемділігін айтарлықтай жақсартса да, келесі мәселелер бар:

(1) Иілгіш батареялардың көпшілігі «теріс электрод-сепаратор-оң электрод» арқылы жинақталған және олардың шектеулі деформациялану қабілеті мен көп қабатты жинақтар арасындағы сырғуы LIB-лердің жалпы өнімділігін шектейді;

(2) Бүктеу, созылу, орау және күрделі деформация сияқты біршама ауыр жағдайларда ол батарея өнімділігіне кепілдік бере алмайды;

(3) Жобалау стратегиясының бір бөлігі ағымдағы металл коллекторының деформациясын елемейді.

Сондықтан, бір уақытта оның аздап иілу бұрышына, бірнеше деформация режиміне, жоғары механикалық төзімділікке және жоғары энергия тығыздығына жету әлі де көптеген қиындықтарға тап болады.

кіріспе

Жақында Гонконг қалалық университетінің профессоры Чуньи Чжи мен доктор Куипинг Хан Energy Environ сайтында «Иілгіш/бүгілмелі/созылмалы/бұралмалы батареяға арналған адам бірлескен құрылымдық дизайн: көп деформациялануға қол жеткізу» атты мақаласын жариялады. Ғылым. Бұл жұмыс адам буындарының құрылымынан шабыттанды және буын жүйесіне ұқсас икемді LIB түрін жасады. Осы жаңа дизайн негізінде дайындалған, икемді батарея жоғары энергия тығыздығына қол жеткізе алады және 180° бүгілуі немесе тіпті бүктелуі мүмкін. Сонымен қатар, құрылымдық құрылымды орауыштың әртүрлі әдістері арқылы өзгертуге болады, осылайша икемді LIB деформациялық мүмкіндіктері мол болады, одан да ауыр және күрделі деформацияларға (орама және бұралу) қолданылуы мүмкін және тіпті созылуы мүмкін және олардың деформациялық мүмкіндіктері икемді LIB туралы алдыңғы есептерден әлдеқайда жоғары. Ақырлы элементтерді модельдеу талдауы осы құжатта жобаланған батареяның әртүрлі қатал және күрделі деформациялар кезінде ағымдағы металл коллекторының қайтымсыз пластикалық деформациясына ұшырамайтынын растады. Сонымен бірге жиналған шаршы батарея 371.9 Вт/л дейін қуат тығыздығына қол жеткізе алады, бұл дәстүрлі жұмсақ батареяның 92.9% құрайды. Бұған қоса, ол 200,000 25,000 еседен астам динамикалық иілу және XNUMX XNUMX рет динамикалық бұрмалаудан кейін де тұрақты цикл өнімділігін сақтай алады.

Кейінгі зерттеулер жинақталған цилиндрлік блоктың ұяшығы неғұрлым ауыр және күрделі деформацияларға төтеп бере алатынын көрсетеді. 100,000 20,000-нан астам динамикалық созудан, 100,000 88 бұралудан және XNUMX XNUMX иілу деформацияларынан кейін ол әлі де XNUMX% -дан астам жоғары сыйымдылыққа қол жеткізе алады - ұстау жылдамдығы. Сондықтан, осы құжатта ұсынылған икемді LIBs киілетін электроникада практикалық қолдану үшін үлкен перспективаны қамтамасыз етеді.

Зерттеудің маңызды оқиғалары

1) Адам буындарынан шабыттандырылған икемді LIB иілу, бұрылу, созылу және орам деформациялары кезінде тұрақты цикл өнімділігін сақтай алады;

(2) Шаршы икемді батареямен ол 371.9 Вт/л дейін қуат тығыздығына қол жеткізе алады, бұл дәстүрлі жұмсақ батареяның 92.9% құрайды;

(3) Орамның әртүрлі әдістері батарея жинағының пішінін өзгертіп, батареяға жеткілікті деформациялану мүмкіндігін береді.

Графикалық нұсқаулық

Зерттеулер көрсеткендей, жоғары көлемді энергия тығыздығын және күрделі деформацияны қамтамасыз етумен қатар, құрылымдық дизайн ток коллекторының пластикалық деформациясын болдырмауы керек. Ақырлы элементтерді модельдеу ток коллекторының ең жақсы әдісі ток коллекторының пластикалық деформациясын және қайтымсыз зақымдануын болдырмау үшін иілу процесі кезінде ток коллекторының аз иілу радиусына жол бермеу керек екенін көрсетеді.

1а-суретте адам буындарының құрылымы көрсетілген, онда үлкенірек қисық беттік дизайн буындардың тегіс айналуына көмектеседі. Осыған сүйене отырып, 1b-суретте төртбұрышты қалың стектің құрылымына оралуға болатын типтік графиттік анод/диафрагма/литий кобальтаты (LCO) аноды көрсетілген. Қосылу орнында ол екі қалың қатты қабаттан және иілгіш бөліктен тұрады. Одан да маңыздысы, қалың стектің буын сүйек жамылғысына эквивалентті қисық беті бар, ол буферлік қысымға көмектеседі және икемді батареяның бастапқы сыйымдылығын қамтамасыз етеді. Серпімді бөлік қалың қабаттарды байланыстыратын және икемділікті қамтамасыз ететін байлам ретінде әрекет етеді (1в-сурет). Шаршы қадаға ораумен қатар, цилиндрлік немесе үшбұрышты ұяшықтары бар батареяларды орау әдісін өзгерту арқылы да жасауға болады (1d-сурет). Шаршы энергия сақтау қондырғылары бар икемді LIB үшін өзара байланысты сегменттер иілу процесі кезінде қалың қабаттың доға тәрізді беті бойымен айналады (1e-сурет), осылайша икемді батареяның энергия тығыздығын айтарлықтай арттырады. Сонымен қатар, серпімді полимерлі инкапсуляция арқылы цилиндрлік блоктары бар икемді LIB созылатын және икемді қасиеттерге қол жеткізе алады (1f-сурет).

1-сурет (a) Бірегей байлам байланысының және қисық бетінің дизайны икемділікке жету үшін маңызды; (b) икемді аккумулятор құрылымының және өндіру процесінің схемалық диаграммасы; (c) сүйек қалың электродтар қабатына сәйкес келеді, ал байлам оралмаған (D) цилиндрлік және үшбұрышты ұяшықтары бар икемді батарея құрылымы; (e) шаршы ұяшықтардың стематикалық схемасы; (f) цилиндрлік ұяшықтардың созылу деформациясы.

Механикалық имитациялық талдауды одан әрі пайдалану батареяның икемді құрылымының тұрақтылығын растады. 2а-суретте мыс пен алюминий фольгасының цилиндрге (180° радиан) иілген кездегі кернеудің таралуы көрсетілген. Нәтижелер мыс пен алюминий фольгасының кернеуі олардың аққыштық шегінен әлдеқайда төмен екенін көрсетеді, бұл деформация пластикалық деформацияны тудырмайтынын көрсетеді. Ағымдағы металл коллекторы қайтымсыз зақымдануды болдырмайды.

2б-суретте иілу дәрежесі одан әрі жоғарылаған кезде кернеудің таралуы көрсетілген, ал мыс фольга мен алюминий фольганың кернеуі де олардың сәйкес аққыштық шегінен аз болады. Сондықтан құрылым жақсы төзімділікті сақтай отырып, бүктелген деформацияға төтеп бере алады. Иілу деформациясынан басқа, жүйе белгілі бір бұрмалану дәрежесіне қол жеткізе алады (2в-сурет).

Цилиндрлік блоктары бар аккумуляторлар үшін шеңбердің тән сипаттамаларына байланысты ол неғұрлым ауыр және күрделі деформацияға қол жеткізе алады. Сондықтан, батарея 180o дейін бүктелгенде (2d, e-сурет), бастапқы ұзындықтың шамамен 140% созылғанда (2f-сурет) және 90o-ға дейін бұралған кезде (2g-сурет), ол механикалық тұрақтылықты сақтай алады. Сонымен қатар, иілу + бұралу және орам деформациясы бөлек қолданылған кезде, жобаланған LIBs құрылымы әртүрлі ауыр және күрделі деформациялар кезінде ток металл коллекторының қайтымсыз пластикалық деформациясын тудырмайды.

2-сурет (ac) Иілу, бүктеу және бұрау кезіндегі шаршы ұяшықтың соңғы элементтерді модельдеу нәтижелері; (di) Цилиндрлік ұяшықты иілу, бүгу, созу, бұрау, иілу + бұрау және орау кезіндегі соңғы элементтерді модельдеу нәтижелері.

Жасалған икемді аккумулятордың электрохимиялық өнімділігін бағалау үшін LiCoO2 разряд сыйымдылығы мен цикл тұрақтылығын тексеру үшін катод материалы ретінде пайдаланылды. 3а-суретте көрсетілгендей, төртбұрышты ұяшықтары бар аккумулятордың разрядтық сыйымдылығы жазықтық 1 С ұлғайту кезінде иілу, сақина, бүктеу және бұралу үшін деформацияланғаннан кейін айтарлықтай азаймайды, бұл механикалық деформация дизайнды тудырмайды. икемді батареяның электрохимиялық болуы Өнімділік төмендейді. Тіпті динамикалық иілу (3в, г-сурет) және динамикалық бұралу (3е, е-сурет) және белгілі бір циклдар санынан кейін зарядтау және разрядтау платформасы және ұзақ цикл өнімділігі айқын өзгерістерге ұшырамайды, бұл ішкі құрылымды білдіреді. батарея жақсы қорғалған.

3-сурет (а) 1С астында шаршы блокты батареяны зарядтау және разрядтау сынағы; (b) әртүрлі жағдайларда зарядтау және разряд қисығы; (c, d) Динамикалық иілу жағдайында батарея циклінің өнімділігі және сәйкес зарядтау және разряд қисығы; (e, f) Динамикалық бұралу кезінде аккумулятордың цикл өнімділігі және әртүрлі циклдардағы сәйкес заряд-разряд қисығы.

Модельдеу талдауының нәтижелері шеңбердің өзіне тән сипаттамаларының арқасында цилиндрлік элементтері бар икемді LIB-лер неғұрлым төтенше және күрделі деформацияларға төтеп бере алатынын көрсетеді. Сондықтан цилиндрлік блоктың иілгіш ЛИБ-терінің электрохимиялық көрсеткіштерін көрсету үшін сынау 1 С жылдамдықта жүргізілді, бұл аккумулятор әртүрлі деформацияларға ұшыраған кезде электрохимиялық көрсеткіштердің өзгермейтінін көрсетті. Деформация кернеу қисығының өзгеруіне әкелмейді (4а, б-сурет).

Цилиндрлік аккумулятордың электрохимиялық тұрақтылығын және механикалық беріктігін одан әрі бағалау үшін ол аккумуляторды 1 С жылдамдықпен динамикалық автоматтандырылған жүктеме сынағына ұшыратты. Зерттеулер көрсеткендей, динамикалық созылудан кейін (4c, d-сурет), динамикалық бұралу (4e, f-сурет) , және динамикалық иілу + бұралу (4g, h-сурет), аккумуляторды зарядтау-разрядтау циклінің өнімділігі және сәйкес кернеу қисығы әсер етпейді. 4i суретте түрлі-түсті энергия сақтау құрылғысы бар батареяның өнімділігі көрсетілген. Разряд сыйымдылығы 133.3 мАм g-1-ден 129.9 мАч g-1-ге дейін ыдырайды, ал бір циклдегі сыйымдылық жоғалуы небәрі 0.04% құрайды, бұл деформация оның цикл тұрақтылығына және разряд сыйымдылығына әсер етпейтінін көрсетеді.

4-сурет (а) 1 С температурада цилиндрлік ұяшықтардың әртүрлі конфигурацияларының зарядтау және разряд циклінің сынағы; (b) Әртүрлі жағдайларда аккумулятордың сәйкес зарядтау және разряд қисықтары; (c, d) Динамикалық керілу кезіндегі цикл өнімділігі мен батареяның заряды Разряд қисығы; (e, f) динамикалық бұралу кезіндегі аккумулятордың цикл өнімділігі және әртүрлі циклдардағы сәйкес заряд-разряд қисығы; (g, h) динамикалық иілу + бұралу кезіндегі аккумулятордың цикл өнімділігі және әртүрлі циклдардағы сәйкес заряд-разряд қисығы ; (I) 1 С температурада әртүрлі конфигурациялы призматикалық блоктың батареяларын зарядтау және разрядтау сынағы.

Жасалған икемді аккумуляторды тәжірибеде қолдануды бағалау үшін автор құлаққаптар, смарт сағаттар, шағын электр желдеткіштер, косметикалық құралдар және смартфондар сияқты кейбір коммерциялық электрондық өнімдерді қуаттандыру үшін әртүрлі қуат сақтау қондырғылары бар толық батареяларды пайдаланады. Екеуі де күнделікті қолдану үшін жеткілікті, әртүрлі икемді және киілетін электрондық өнімдердің қолдану мүмкіндіктерін толығымен қамтиды.

5-суретте жобаланған батарея құлаққаптарға, смарт сағаттарға, шағын электр желдеткіштерге, косметикалық жабдыққа және смартфондарға қолданылады. Икемді батарея (a) құлаққаптарды, (b) смарт сағаттарды және (c) шағын электр желдеткіштерін қуатпен қамтамасыз етеді; (d) косметикалық жабдықты қуатпен қамтамасыз етеді; (e) әртүрлі деформация жағдайында икемді батарея смартфондарды қуатпен қамтамасыз етеді.

Қорытынды және болжам

Қорытындылай келе, бұл мақала адам буындарының құрылымынан шабыттандырады. Ол жоғары энергия тығыздығы, бірнеше деформациялануы және ұзақ мерзімділігі бар икемді аккумуляторды өндіруге арналған бірегей дизайн әдісін ұсынады. Дәстүрлі икемді LIB-мен салыстырғанда, бұл жаңа дизайн ағымдағы металл коллекторының пластикалық деформациясын тиімді болдырмайды. Сонымен бірге, осы құжатта жобаланған энергия сақтау құрылғысының екі шетінде сақталған қисық беттер өзара байланысты құрамдас бөліктердің жергілікті кернеуін тиімді түрде жеңілдетеді. Сонымен қатар, орауыштың әртүрлі әдістері батареяның жеткілікті деформациялануын бере отырып, дестенің пішінін өзгерте алады. Икемді батарея жаңа дизайнының арқасында тамаша цикл тұрақтылығы мен механикалық беріктігін көрсетеді және әртүрлі икемді және тозуға болатын электрондық өнімдерде кең қолдану перспективаларына ие.

Әдебиет сілтемесі

Иілуге ​​болатын/бүктелетін/созылатын/бұралатын батареяға арналған адам қосылысынан шабыттандырылған құрылымдық дизайн: бірнеше деформациялануға қол жеткізу. (Энергетикалық орта. Ғылым., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)