Hong Kong CityU EES: סוללת ליתיום-יון גמישה בהשראת מפרקים אנושיים
By hoppt
רקע מחקר
הביקוש הגובר למוצרים אלקטרוניים קידם את הפיתוח המהיר של התקני אחסון גמישים וצפיפות אנרגיה גבוהה בשנים האחרונות. סוללות ליתיום יון גמישות (LIBs) עם צפיפות אנרגיה גבוהה וביצועים אלקטרוכימיים יציבים נחשבים לטכנולוגיית הסוללה המבטיחה ביותר עבור מוצרים אלקטרוניים לבישים. למרות שהשימוש באלקטרודות סרט דק ואלקטרודות מבוססות פולימרים משפר באופן דרמטי את הגמישות של LIBs, ישנן הבעיות הבאות:
(1) רוב הסוללות הגמישות מוערמות על ידי "אלקטרודה חיובית של אלקטרודה-מפרידה", ויכולת העיוות וההחלקה המוגבלת שלהן בין ערימות רב-שכבתיות מגבילות את הביצועים הכוללים של LIBs;
(2) בתנאים קשים יותר, כגון קיפול, מתיחה, סלילה ועיוות מורכב, זה לא יכול להבטיח את ביצועי הסוללה;
(3) חלק מאסטרטגיית התכנון מתעלם מהדפורמציה של אספן המתכת הנוכחי.
לכן, בו-זמנית השגת זווית הכיפוף הקלה שלו, מצבי דפורמציה מרובים, עמידות מכנית מעולה וצפיפות אנרגיה גבוהה עדיין עומדת בפני אתגרים רבים.
מבוא
לאחרונה, פרופסור Chunyi Zhi וד"ר Cuiping Han מאוניברסיטת סיטי בהונג קונג פרסמו מאמר שכותרתו "עיצוב מבני בהשראת מפרק אנושי לסוללה ניתנת לכיפוף/מתקפלת/מתמתחת/מתפתלת: השגת עיוות מרובה" על Energy Environ. Sci. עבודה זו נוצרה בהשראת מבנה המפרקים האנושיים ותכננה מעין LIBs גמישים הדומים למערכת המפרק. בהתבסס על עיצוב חדשני זה, הסוללה המוכנה והגמישה יכולה להשיג צפיפות אנרגיה גבוהה ולהיות כפוף או אפילו מקופל ב-180°. יחד עם זאת, ניתן לשנות את המבנה המבני באמצעות שיטות פיתול שונות כך של-LIB גמישים יש יכולות דפורמציה עשירות, ניתנות ליישום על עיוותים חמורים ומורכבים יותר (פיתול ופיתול), ואף ניתן למתוח אותם, ויכולות העיוות שלהם הן הרבה מעבר לדיווחים קודמים על LIBs גמישים. ניתוח הדמיית אלמנטים סופיים אישר שהסוללה שתוכננה במאמר זה לא תעבור דפורמציה פלסטית בלתי הפיכה של אספן המתכת הנוכחי תחת עיוותים קשים ומורכבים שונים. במקביל, סוללת היחידה המרובעת המורכבת יכולה להשיג צפיפות אנרגיה של עד 371.9 וואט/ליטר, שהם 92.9% מהסוללה המסורתית של חבילה רכה. בנוסף, הוא יכול לשמור על ביצועי מחזור יציבים גם לאחר יותר מ-200,000 פעמים של כיפוף דינמי ופי 25,000 של עיוות דינמי.
מחקר נוסף מראה כי תא היחידה הגלילית המורכב יכול לעמוד בעיוותים חמורים ומורכבים יותר. לאחר יותר מ-100,000 מתיחות דינמיות, 20,000 פיתולים ו-100,000 עיוותים של כיפוף, הוא עדיין יכול להשיג קיבולת גבוהה של יותר מ-88% - שיעור שמירה. לכן, ה-LIB הגמישים המוצעים במאמר זה מספקים סיכוי עצום ליישומים מעשיים באלקטרוניקה לבישה.
עיקרי המחקר
1) LIBs גמישים, בהשראת מפרקים אנושיים, יכולים לשמור על ביצועי מחזור יציבים תחת כיפוף, פיתול, מתיחה ועיוותים מתפתלים;
(2) עם סוללה גמישה מרובעת, היא יכולה להשיג צפיפות אנרגיה של עד 371.9 Wh/L, שהם 92.9% מהסוללה המסורתית של חבילה רכה;
(3) שיטות סלילה שונות יכולות לשנות את צורת ערימת הסוללות ולהעניק לסוללה יכולת עיוות מספקת.
מדריך גרפי
1. עיצוב סוג חדש של LIBs גמישים ביוניים
מחקרים הראו שבנוסף להבטחת צפיפות אנרגיה בנפח גבוה ועיוות מורכב יותר, התכנון המבני חייב גם למנוע דפורמציה פלסטית של קולט הזרם. הדמיית האלמנטים הסופיים מראה שהשיטה הטובה ביותר של קולט הזרם צריכה להיות למנוע מקולט הזרם לקבל רדיוס כיפוף קטן במהלך תהליך הכיפוף כדי למנוע עיוות פלסטי ונזק בלתי הפיך של קולט הזרם.
איור 1a מציג את המבנה של המפרקים האנושיים, שבהם עיצוב פני השטח המעוגל הגדול יותר עוזר למפרקים להסתובב בצורה חלקה. בהתבסס על זה, איור 1b מציג אנודה טיפוסית של גרפיט/דיאפרגמה/ליתיום קובלטאט (LCO), אשר ניתן ללופף למבנה ערימה מרובעת עבה. בצומת הוא מורכב משתי ערימות קשיחות עבות וחלק גמיש. חשוב מכך, לערימה העבה יש משטח מעוגל שווה ערך לכיסוי עצם המפרק, מה שמסייע בלחץ חיץ ומספק את הקיבולת העיקרית של הסוללה הגמישה. החלק האלסטי פועל כרצועה, מחבר ערימות עבות ומספק גמישות (איור 1c). בנוסף לליפוף לערימה מרובעת, ניתן לייצר סוללות עם תאים גליליים או משולשים גם על ידי שינוי שיטת הפיתול (איור 1ד). עבור LIBs גמישים עם יחידות אחסון אנרגיה מרובעות, המקטעים המחוברים זה לזה יתגלגלו לאורך המשטח בצורת קשת של הערימה העבה במהלך תהליך הכיפוף (איור 1ה), ובכך יגדילו באופן משמעותי את צפיפות האנרגיה של הסוללה הגמישה. בנוסף, באמצעות עטיפה של פולימר אלסטי, LIBs גמישים עם יחידות גליליות יכולים להשיג תכונות מתיחה וגמישות (איור 1f).
איור 1 (א) העיצוב של חיבור רצועות ייחודי ומשטח מעוקל חיוני להשגת גמישות; (ב) תרשים סכמטי של מבנה סוללה גמיש ותהליך ייצור; (ג) עצם מתאימה לערימת אלקטרודות עבה יותר, והרצועה מתאימה למבנה סוללה פרוס (D) גמיש עם תאים גליליים ומשולשים; (ה) תרשים סכמטי הערמה של תאים מרובעים; (ו) דפורמציה מתיחה של תאים גליליים.
2. ניתוח הדמיית אלמנטים סופיים
שימוש נוסף בניתוח סימולציה מכאני אישר את היציבות של מבנה הסוללה הגמיש. איור 2a מציג את התפלגות המתח של רדיד נחושת ואלומיניום כאשר הם מכופפים לתוך גליל (180° רדיאן). התוצאות מראות שהלחץ של רדיד נחושת ואלומיניום נמוך בהרבה מחוזק התפוקה שלהם, מה שמצביע על כך שעיוות זה לא יגרום לעיוות פלסטי. אספן המתכת הנוכחי יכול למנוע נזק בלתי הפיך.
איור 2b מציג את התפלגות המתח כאשר דרגת הכיפוף מוגברת עוד יותר, והמתח של רדיד נחושת ורדיד אלומיניום קטן גם הוא מחוזק התפוקה המקביל להם. לכן, המבנה יכול לעמוד בעיוות קיפול תוך שמירה על עמידות טובה. בנוסף לעיוות כיפוף, המערכת יכולה להשיג מידה מסוימת של עיוות (איור 2c).
עבור סוללות עם יחידות גליליות, בשל המאפיינים הטבועים של המעגל, הוא יכול להשיג עיוות חמור ומורכב יותר. לכן, כאשר הסוללה מקופלת ל-180o (איור 2d, ה), נמתחת לכ-140% מהאורך המקורי (איור 2f), ומפותלת ל-90o (איור 2g), היא יכולה לשמור על יציבות מכנית. בנוסף, כאשר כיפוף + פיתול ועיוות פיתול מיושמים בנפרד, מבנה ה-LIBs המעוצב לא יגרום לעיוות פלסטי בלתי הפיך של אספן המתכת הנוכחי תחת עיוותים חמורים ומורכבים שונים.
איור 2 (ac) תוצאות הדמיית אלמנטים סופיים של תא מרובע תחת כיפוף, קיפול ופיתול; (די) תוצאות הדמיית אלמנטים סופיים של תא גלילי תחת כיפוף, קיפול, מתיחה, פיתול, כיפוף + פיתול וליפוף.
3. ביצועים אלקטרוכימיים של LIBs גמישים של יחידת אחסון האנרגיה המרובעת
כדי להעריך את הביצועים האלקטרוכימיים של הסוללה הגמישה המעוצבת, שימש LiCoO2 כחומר הקתודה לבדיקת יכולת הפריקה ויציבות המחזור. כפי שמוצג באיור 3a, קיבולת הפריקה של הסוללה עם תאים מרובעים אינה מופחתת באופן משמעותי לאחר שהמטוס מעוות לכיפוף, מצלצל, מקופל ומפותל בהגדלה של 1 C, מה שאומר שהעיוות המכאני לא יגרום לתכנון של הסוללה הגמישה תהיה אלקטרוכימית הביצועים יורדים. גם לאחר כיפוף דינמי (איור 3c, d) ופיתול דינמי (איור 3e, f), ולאחר מספר מסוים של מחזורים, לפלטפורמת הטעינה והפריקה ולביצועי המחזור הארוך אין שינויים ניכרים, מה שאומר שהמבנה הפנימי של הסוללה מוגנת היטב.
איור 3 (א) בדיקת טעינה ופריקה של סוללת יחידה מרובעת מתחת ל-1C; (ב) עקומת טעינה ופריקה בתנאים שונים; (ג, ד) תחת כיפוף דינמי, ביצועי מחזור הסוללה ועקומת הטעינה והפריקה המתאימה; (ה, ו) תחת פיתול דינמי, ביצועי המחזור של הסוללה ועקומת הטעינה-פריקה המתאימה במחזורים שונים.
4. ביצועים אלקטרוכימיים של LIBs גמישים של יחידת אחסון האנרגיה הגלילית
תוצאות ניתוח הסימולציה מראות כי הודות למאפיינים המובנים של המעגל, ה-LIBs הגמישים עם אלמנטים גליליים יכולים לעמוד בעיוותים קיצוניים ומורכבים יותר. לכן, כדי להדגים את הביצועים האלקטרוכימיים של ה-LIBs הגמישים של היחידה הגלילית, הבדיקה בוצעה בקצב של 1 C, מה שהראה שכאשר הסוללה עוברת עיוותים שונים, אין כמעט שינוי בביצועים האלקטרוכימיים. העיוות לא יגרום לשינוי עקומת המתח (איור 4א, ב).
כדי להעריך עוד יותר את היציבות האלקטרוכימית והעמידות המכנית של הסוללה הגלילית, היא העבירה את הסוללה למבחן עומס אוטומטי דינמי בקצב של 1 C. מחקר מראה כי לאחר מתיחה דינמית (איור 4c, d), פיתול דינמי (איור 4e, f) , וכיפוף דינמי + פיתול (איור 4g, h), ביצועי מחזור טעינת-פריקת הסוללה ועקומת המתח המתאימה אינם מושפעים. איור 4i מציג את הביצועים של סוללה עם יחידת אחסון אנרגיה צבעונית. קיבולת הפריקה דועכת מ-133.3 mAm g-1 ל-129.9 mAh g-1, ואובדן הקיבולת למחזור הוא רק 0.04%, מה שמצביע על כך שהדפורמציה לא תשפיע על יציבות המחזור ויכולת הפריקה שלו.
איור 4 (א) בדיקת מחזור טעינה ופריקה של תצורות שונות של תאים גליליים ב-1 C; (ב) עקומות טעינה ופריקה מתאימות של המצבר בתנאים שונים; (ג, ד) ביצועי מחזור וטעינה של הסוללה תחת מתח דינמי עקומת פריקה; (ה, ו) ביצועי המחזור של הסוללה בפיתול דינמי ועקומת הטעינה-פריקה המתאימה במחזורים שונים; (ז, ח) ביצועי המחזור של הסוללה תחת כיפוף דינמי + פיתול ועקומת הטעינה-פריקה המתאימה במחזורים שונים; (I) בדיקת טעינה ופריקה של סוללות יחידות מנסרות עם תצורות שונות ב-1 C.
5. יישום של מוצרים אלקטרוניים גמישים ולבישים
כדי להעריך את היישום של הסוללה הגמישה שפותחה בפועל, המחבר משתמש בסוללות מלאות עם סוגים שונים של יחידות אחסון אנרגיה כדי להפעיל כמה מוצרים אלקטרוניים מסחריים, כגון אוזניות, שעונים חכמים, מיני מאווררים חשמליים, מכשירים קוסמטיים וטלפונים חכמים. שניהם מספיקים לשימוש יומיומי, מגלמים במלואם את פוטנציאל היישום של מוצרים אלקטרוניים גמישים ולבישים שונים.
איור 5 מחיל את הסוללה המעוצבת על אוזניות, שעונים חכמים, מיני מאווררים חשמליים, ציוד קוסמטי וסמארטפונים. הסוללה הגמישה מספקת חשמל עבור (א) אוזניות, (ב) שעונים חכמים ו-(ג) מיני מאווררים חשמליים; (ד) מספק חשמל לציוד קוסמטי; (ה) בתנאי דפורמציה שונים, הסוללה הגמישה מספקת חשמל לסמארטפונים.
סיכום והשקפה
לסיכום, מאמר זה שואב השראה ממבנה המפרקים האנושיים. הוא מציע שיטת עיצוב ייחודית לייצור סוללה גמישה עם צפיפות אנרגיה גבוהה, יכולת עיוות מרובה ועמידות. בהשוואה ל-LIB גמישים מסורתיים, עיצוב חדש זה יכול למנוע ביעילות את העיוות הפלסטי של אספן המתכת הנוכחי. יחד עם זאת, המשטחים המעוקלים השמורים בשני הקצוות של יחידת אגירת האנרגיה שתוכננה במאמר זה יכולים להקל ביעילות על הלחץ המקומי של הרכיבים המחוברים זה לזה. בנוסף, שיטות סלילה שונות יכולות לשנות את צורת הערימה, מה שמעניק לסוללה יכולת עיוות מספקת. הסוללה הגמישה מציגה יציבות מחזורית מעולה ועמידות מכנית הודות לעיצוב החדש ויש לה סיכויי יישום נרחבים במוצרים אלקטרוניים גמישים ולבישים שונים.
קישור לספרות
עיצוב מבני בהשראת מפרק אנושי לסוללה ניתנת לכיפוף/מתקפל/מתיחה/מתפתל: השגת עיוות מרובה. (סביבת אנרגיה. מדע., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
