Hong Kong CityU EES: بطارية ليثيوم أيون مرنة مستوحاة من المفاصل البشرية

خلفية البحث

أدى الطلب المتزايد على المنتجات الإلكترونية إلى تعزيز التطور السريع لأجهزة التخزين المرنة وعالية الكثافة للطاقة في السنوات الأخيرة. بطاريات الليثيوم أيون المرنة (LIBs) ذات كثافة الطاقة العالية والأداء الكهروكيميائي المستقر تعتبر أكثر تقنيات البطاريات الواعدة للمنتجات الإلكترونية القابلة للارتداء. على الرغم من أن استخدام الأقطاب الكهربائية ذات الأغشية الرقيقة والأقطاب الكهربية القائمة على البوليمر يحسن بشكل كبير مرونة LIBs ، إلا أن هناك المشكلات التالية:

(1) يتم تكديس معظم البطاريات المرنة بواسطة "قطب كهربائي سالب - فاصل - قطب موجب" ، كما أن قابليتها للتشوه والانزلاق المحدود بين الأكوام متعددة الطبقات تقيد الأداء العام لـ LIBs ؛

(2) في ظل بعض الظروف الأكثر قسوة ، مثل الطي والتمدد واللف والتشوه المعقد ، لا يمكن ضمان أداء البطارية ؛

(3) يتجاهل جزء من استراتيجية التصميم تشوه مجمع المعادن الحالي.

لذلك ، فإن تحقيق زاوية الانحناء الطفيفة في نفس الوقت ، وأنماط التشوه المتعددة ، والمتانة الميكانيكية الفائقة ، وكثافة الطاقة العالية لا تزال تواجه العديد من التحديات.

المُقدّمة

مؤخرًا ، نشر البروفيسور Chunyi Zhi والدكتور Cuiping Han من جامعة City of Hong Kong ورقة بعنوان "التصميم الهيكلي المستوحى من المفصل البشري للبطارية القابلة للانحناء / القابلة للطي / القابلة للمط / الالتواء: تحقيق قابلية متعددة للتشوه" في بيئة الطاقة. علوم. تم استلهام هذا العمل من بنية المفاصل البشرية وصمم نوعًا من LIBs المرن على غرار نظام المفصل. بناءً على هذا التصميم الجديد ، يمكن للبطارية المرنة المعدة أن تحقق كثافة طاقة عالية ويمكن ثنيها أو حتى طيها عند 180 درجة. في الوقت نفسه ، يمكن تغيير الهيكل الهيكلي من خلال طرق لف مختلفة بحيث تتمتع LIBs المرنة بقدرات تشوه غنية ، ويمكن تطبيقها على التشوهات الأكثر شدة وتعقيدًا (اللف واللف) ، ويمكن حتى أن تتمدد ، وقدراتها التشوهية هي أبعد بكثير من التقارير السابقة من LIBs المرنة. أكد تحليل محاكاة العناصر المحدودة أن البطارية المصممة في هذه الورقة لن تتعرض لتشوه بلاستيكي لا رجعة فيه لمجمع المعادن الحالي تحت مختلف التشوهات القاسية والمعقدة. في الوقت نفسه ، يمكن لبطارية الوحدة المربعة المُجمَّعة أن تحقق كثافة طاقة تصل إلى 371.9 واط / لتر ، وهو ما يمثل 92.9٪ من بطارية الحزمة اللينة التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنها الحفاظ على أداء دورة مستقر حتى بعد أكثر من 200,000 مرة من الانحناء الديناميكي و 25,000 مرة من التشويه الديناميكي.

تظهر الأبحاث الإضافية أن خلية الوحدة الأسطوانية المجمعة يمكن أن تتحمل تشوهات أكثر حدة وتعقيدًا. بعد أكثر من 100,000 تمدد ديناميكي ، و 20,000 تقلب ، و 100,000 تشوه انحناء ، لا يزال بإمكانه تحقيق قدرة عالية تزيد عن 88٪ - معدل الاحتفاظ. لذلك ، توفر LIBs المرنة المقترحة في هذه الورقة إمكانية هائلة للتطبيقات العملية في الإلكترونيات القابلة للارتداء.

ويبرز البحوث

1) يمكن أن تحافظ LIBs المرنة ، المستوحاة من المفاصل البشرية ، على أداء دورة مستقر تحت تشوهات الانحناء والالتواء والتمدد واللف ؛

(2) مع بطارية مربعة مرنة ، يمكنها تحقيق كثافة طاقة تصل إلى 371.9 واط / لتر ، والتي تمثل 92.9٪ من بطارية العبوة التقليدية ؛

(3) يمكن أن تغير طرق اللف المختلفة شكل حزمة البطارية وتعطي البطارية قابلية كافية للتشوه.

دليل بياني

أظهرت الأبحاث أنه بالإضافة إلى ضمان كثافة طاقة عالية الحجم وتشوه أكثر تعقيدًا ، يجب أن يتجنب التصميم الهيكلي أيضًا التشوه البلاستيكي للمجمع الحالي. تُظهر محاكاة العناصر المحدودة أن أفضل طريقة للمجمع الحالي يجب أن تكون منع المجمع الحالي من الحصول على نصف قطر انحناء صغير أثناء عملية الانحناء لتجنب تشوه البلاستيك والأضرار التي لا رجعة فيها للمجمع الحالي.

يوضح الشكل 1 أ بنية المفاصل البشرية ، حيث يساعد تصميم السطح المنحني الأكبر بذكاء المفاصل على الدوران بسلاسة. بناءً على ذلك ، يوضح الشكل 1 ب أنود الجرافيت النموذجي / الحجاب الحاجز / أنود كوبالتات الليثيوم (LCO) ، والذي يمكن جرحه في هيكل مكدس سميك مربع. عند التقاطع ، تتكون من مجموعتين صلبتين سميكتين وجزء مرن. الأهم من ذلك ، أن الكومة السميكة لها سطح منحني مكافئ لغطاء عظم المفصل ، مما يساعد على تخفيف الضغط ويوفر السعة الأساسية للبطارية المرنة. يعمل الجزء المرن كرباط يربط بين الأكوام السميكة ويوفر المرونة (الشكل 1 ج). بالإضافة إلى اللف في كومة مربعة ، يمكن أيضًا تصنيع البطاريات ذات الخلايا الأسطوانية أو المثلثة عن طريق تغيير طريقة اللف (الشكل 1 د). بالنسبة إلى LIBs المرنة ذات وحدات تخزين الطاقة المربعة ، فإن الأجزاء المترابطة سوف تتدحرج على طول السطح ذي الشكل القوسي للمكدس السميك أثناء عملية الانحناء (الشكل 1 هـ) ، مما يزيد بشكل كبير من كثافة الطاقة للبطارية المرنة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال تغليف البوليمر المرن ، يمكن أن تحقق LIBs المرنة بوحدات أسطوانية خصائص مرنة ومرنة (الشكل 1 و).

الشكل 1 (أ) يعد تصميم وصلة الأربطة الفريدة والسطح المنحني ضروريًا لتحقيق المرونة ؛ (ب) رسم تخطيطي لهيكل البطارية المرن وعملية التصنيع ؛ (ج) يتوافق العظم مع كومة أقطاب كهربائية أكثر سمكًا ، ويتوافق الرباط مع هيكل بطارية مرن (D) غير منضبط بخلايا أسطوانية ومثلثة ؛ (هـ) تكديس رسم تخطيطي للخلايا المربعة ؛ (و) تمدد تشوه الخلايا الأسطوانية.

أكد الاستخدام الإضافي لتحليل المحاكاة الميكانيكية استقرار هيكل البطارية المرن. يوضح الشكل 2 أ توزيع الضغط على رقائق النحاس والألومنيوم عند الثني في أسطوانة (180 درجة راديان). أظهرت النتائج أن ضغط النحاس والألمنيوم أقل بكثير من قوة الخضوع ، مما يشير إلى أن هذا التشوه لن يسبب تشوه البلاستيك. يمكن لمجمع المعادن الحالي تجنب الضرر الذي لا يمكن إصلاحه.

يوضح الشكل 2 ب توزيع الضغط عندما تزداد درجة الانحناء بشكل أكبر ، كما أن إجهاد رقائق النحاس ورقائق الألومنيوم يكون أيضًا أقل من قوة الخضوع المقابلة. لذلك ، يمكن للهيكل أن يتحمل تشوه الطي مع الحفاظ على المتانة الجيدة. بالإضافة إلى الانحناء التشوه ، يمكن للنظام تحقيق درجة معينة من التشويه (الشكل 2 ج).

بالنسبة للبطاريات ذات الوحدات الأسطوانية ، نظرًا للخصائص الكامنة في الدائرة ، يمكن أن تحقق تشوهًا أكثر حدة وتعقيدًا. لذلك ، عندما يتم طي البطارية إلى 180 درجة (الشكل 2 د ، هـ) ، وتمتد إلى حوالي 140٪ من الطول الأصلي (الشكل 2 و) ، ويتم لفها حتى 90 درجة (الشكل 2 ز) ، يمكنها الحفاظ على الاستقرار الميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك ، عند تطبيق الانحناء + الالتواء وتشوه اللف بشكل منفصل ، لن يتسبب هيكل LIBs المصمم في حدوث تشوه بلاستيكي لا رجعة فيه لمجمع المعدن الحالي تحت العديد من التشوهات الشديدة والمعقدة.

الشكل 2 (ج) نتائج محاكاة العناصر المحدودة لخلية مربعة تحت الانحناء والطي والالتواء ؛ (د) نتائج محاكاة العناصر المحدودة لخلية أسطوانية تحت الانحناء والطي والتمدد والالتواء والانحناء + الالتواء واللف.

لتقييم الأداء الكهروكيميائي للبطارية المرنة المصممة ، تم استخدام LiCoO2 كمواد كاثود لاختبار قدرة التفريغ واستقرار الدورة. كما هو موضح في الشكل 3 أ ، لا يتم تقليل سعة تفريغ البطارية ذات الخلايا المربعة بشكل كبير بعد تشوه المستوى للثني والحلقة والطي والالتواء عند تكبير 1 درجة مئوية ، مما يعني أن التشوه الميكانيكي لن يتسبب في تصميم البطارية المرنة لتكون كهروكيميائية ينخفض ​​الأداء. حتى بعد الانحناء الديناميكي (الشكل 3 ج ، د) والالتواء الديناميكي (الشكل 3 هـ ، و) ، وبعد عدد معين من الدورات ، فإن منصة الشحن والتفريغ وأداء الدورة الطويلة ليس لها تغييرات واضحة ، مما يعني أن الهيكل الداخلي لـ البطارية محمية بشكل جيد.

الشكل 3 (أ) اختبار الشحن والتفريغ لبطارية الوحدة المربعة تحت 1C ؛ (ب) منحنى الشحن والتفريغ في ظل ظروف مختلفة ؛ (ج ، د) تحت الانحناء الديناميكي ، أداء دورة البطارية ومنحنى الشحن والتفريغ المقابل ؛ (هـ ، و) في ظل الالتواء الديناميكي ، أداء دورة البطارية ومنحنى تفريغ الشحن المقابل تحت دورات مختلفة.

تظهر نتائج تحليل المحاكاة أنه بفضل الخصائص المتأصلة في الدائرة ، يمكن أن تتحمل LIBs المرنة ذات العناصر الأسطوانية تشوهات أكثر تطرفًا وتعقيدًا. لذلك ، لإثبات الأداء الكهروكيميائي للـ LIBs المرنة للوحدة الأسطوانية ، تم إجراء الاختبار بمعدل 1 درجة مئوية ، والذي أظهر أنه عند تعرض البطارية لتشوهات مختلفة ، لا يوجد تغيير تقريبًا في الأداء الكهروكيميائي. لن يتسبب التشوه في تغيير منحنى الجهد (الشكل 4 أ ، ب).

لمزيد من تقييم الاستقرار الكهروكيميائي للبطارية الأسطوانية والمتانة الميكانيكية ، أخضعت البطارية لاختبار تحميل آلي ديناميكي بمعدل 1 درجة مئوية. تظهر الأبحاث أنه بعد التمدد الديناميكي (الشكل 4 ج ، د) ، الالتواء الديناميكي (الشكل 4 هـ ، و) ، والانحناء الديناميكي + الالتواء (الشكل 4g ، h) ، لا يتأثر أداء دورة شحن وتفريغ البطارية ومنحنى الجهد المقابل. يوضح الشكل 4 ط أداء بطارية مع وحدة تخزين الطاقة الملونة. تتحلل سعة التفريغ من 133.3 مللي أمبير جرام -1 إلى 129.9 مللي أمبير جرام ، وخسارة السعة لكل دورة هي 1٪ فقط ، مما يشير إلى أن التشوه لن يؤثر على استقرار الدورة وقدرة التفريغ.

الشكل 4 (أ) اختبار دورة الشحن والتفريغ للتكوينات المختلفة للخلايا الأسطوانية عند 1 درجة مئوية ؛ (ب) منحنيات الشحن والتفريغ المقابلة للبطارية في ظل ظروف مختلفة ؛ (ج ، د) أداء دورة وشحن البطارية تحت منحنى تفريغ التوتر الديناميكي ؛ (هـ ، و) أداء دورة البطارية في ظل الالتواء الديناميكي ومنحنى تفريغ الشحن المقابل في دورات مختلفة ؛ (ز ، ح) أداء دورة البطارية في ظل الانحناء الديناميكي + الالتواء ومنحنى الشحن والتفريغ المقابل تحت دورات مختلفة ؛ (1) اختبار الشحن والتفريغ لبطاريات الوحدة المنشورية ذات التكوينات المختلفة عند XNUMX درجة مئوية.

لتقييم تطبيق البطارية المرنة المطورة عمليًا ، يستخدم المؤلف بطاريات كاملة مع أنواع مختلفة من وحدات تخزين الطاقة لتشغيل بعض المنتجات الإلكترونية التجارية ، مثل سماعات الأذن والساعات الذكية والمراوح الكهربائية الصغيرة وأدوات التجميل والهواتف الذكية. كلاهما كافٍ للاستخدام اليومي ، ويجسدان تمامًا إمكانات التطبيق لمختلف المنتجات الإلكترونية المرنة والقابلة للارتداء.

يطبق الشكل 5 البطارية المصممة على سماعات الأذن ، والساعات الذكية ، والمراوح الكهربائية الصغيرة ، ومعدات التجميل ، والهواتف الذكية. توفر البطارية المرنة الطاقة لـ (أ) سماعات الأذن ، (ب) الساعات الذكية ، (ج) المراوح الكهربائية الصغيرة ؛ (د) تزود معدات التجميل بالطاقة ؛ (هـ) في ظل ظروف تشوه مختلفة ، توفر البطارية المرنة الطاقة للهواتف الذكية.

ملخص وتوقعات

باختصار ، هذه المقالة مستوحاة من بنية المفاصل البشرية. تقترح طريقة تصميم فريدة لتصنيع بطارية مرنة ذات كثافة طاقة عالية ، وتشوه متعدد ، ومتانة. بالمقارنة مع LIBs المرنة التقليدية ، يمكن لهذا التصميم الجديد أن يتجنب بشكل فعال التشوه البلاستيكي لمجمع المعادن الحالي. في الوقت نفسه ، يمكن للأسطح المنحنية المحفوظة على طرفي وحدة تخزين الطاقة المصممة في هذا الورق أن تخفف بشكل فعال الضغط المحلي للمكونات المترابطة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تغير طرق اللف المختلفة شكل المكدس ، مما يمنح البطارية قابلية كافية للتشوه. تُظهر البطارية المرنة ثباتًا ممتازًا للدورة ومتانة ميكانيكية بفضل التصميم الجديد ولها آفاق تطبيق واسعة في العديد من المنتجات الإلكترونية المرنة والقابلة للارتداء.

رابط الأدب

تصميم هيكلي مستوحى من المفصل البشري لبطارية قابلة للانحناء / قابلة للطي / قابلة للتمدد / الالتواء: تحقيق قابلية متعددة للتشوه. (الطاقة البيئية. علوم.، 2021 ، DOI: 10.1039 / D1EE00480H)