By hoppt
La crescente domanda di prodotti elettronici ha favorito il rapido sviluppo di dispositivi di archiviazione flessibili e ad alta densità di energia negli ultimi anni. Batterie flessibili agli ioni di litio (LIB) con un'elevata densità di energia e prestazioni elettrochimiche stabili sono considerate la tecnologia delle batterie più promettente per i prodotti elettronici indossabili. Sebbene l'uso di elettrodi a film sottile ed elettrodi a base di polimeri migliori notevolmente la flessibilità dei LIB, esistono i seguenti problemi:
(1) La maggior parte delle batterie flessibili sono impilate da "elettrodo negativo-separatore-elettrodo positivo" e la loro limitata deformabilità e slittamento tra pile multistrato limitano le prestazioni complessive dei LIB;
(2) In alcune condizioni più gravi, come piegatura, allungamento, avvolgimento e deformazione complessa, non può garantire le prestazioni della batteria;
(3) Parte della strategia di progettazione ignora la deformazione dell'attuale collettore di metallo.
Pertanto, il raggiungimento simultaneo del suo leggero angolo di curvatura, delle molteplici modalità di deformazione, della durata meccanica superiore e dell'elevata densità di energia deve ancora affrontare molte sfide.
Di recente, il professor Chunyi Zhi e il dottor Cuiping Han della City University di Hong Kong hanno pubblicato un articolo intitolato "Human joint Inspired structure design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: raggiungimento della deformabilità multipla" su Energy Environ. Sci. Questo lavoro è stato ispirato dalla struttura delle articolazioni umane e ha progettato una sorta di LIB flessibili simili al sistema articolare. Basata su questo nuovo design, la batteria preparata e flessibile può raggiungere un'elevata densità di energia ed essere piegata o addirittura piegata a 180°. Allo stesso tempo, la struttura strutturale può essere modificata attraverso diversi metodi di avvolgimento in modo che i LIB flessibili abbiano ricche capacità di deformazione, possano essere applicati a deformazioni più gravi e complesse (avvolgimento e torsione) e possano persino essere allungati e le loro capacità di deformazione sono ben oltre i precedenti rapporti di LIB flessibili. L'analisi della simulazione agli elementi finiti ha confermato che la batteria progettata in questo articolo non subirebbe una deformazione plastica irreversibile dell'attuale collettore metallico sotto varie deformazioni dure e complesse. Allo stesso tempo, la batteria dell'unità quadrata assemblata può raggiungere una densità di energia fino a 371.9 Wh/L, che è il 92.9% della tradizionale batteria soft pack. Inoltre, può mantenere prestazioni del ciclo stabili anche dopo oltre 200,000 volte di flessione dinamica e 25,000 volte di distorsione dinamica.
Ulteriori ricerche mostrano che la cella unitaria cilindrica assemblata può resistere a deformazioni più gravi e complesse. Dopo oltre 100,000 allungamenti dinamici, 20,000 torsioni e 100,000 deformazioni di flessione, può ancora raggiungere un'elevata capacità di oltre l'88% - tasso di ritenzione. Pertanto, le LIB flessibili proposte in questo documento offrono una prospettiva enorme per applicazioni pratiche nell'elettronica indossabile.
1) I LIB flessibili, ispirati alle articolazioni umane, possono mantenere prestazioni del ciclo stabili sotto flessione, torsione, allungamento e deformazioni di avvolgimento;
(2) Con una batteria quadrata flessibile, può raggiungere una densità di energia fino a 371.9 Wh/L, che è il 92.9% della tradizionale batteria soft-pack;
(3) Diversi metodi di avvolgimento possono modificare la forma della pila della batteria e conferire alla batteria una sufficiente deformabilità.
1. Progettazione di un nuovo tipo di LIB flessibili bionici
La ricerca ha dimostrato che, oltre a garantire un'elevata densità di energia in volume e una deformazione più complessa, il progetto strutturale deve anche evitare la deformazione plastica del collettore di corrente. La simulazione agli elementi finiti mostra che il metodo migliore del collettore di corrente dovrebbe essere quello di evitare che il collettore di corrente abbia un piccolo raggio di curvatura durante il processo di curvatura per evitare la deformazione plastica e il danneggiamento irreversibile del collettore di corrente.
La Figura 1a mostra la struttura delle articolazioni umane, in cui il design della superficie curva abilmente più grande aiuta le articolazioni a ruotare senza intoppi. Sulla base di ciò, la Figura 1b mostra un tipico anodo di grafite/diaframma/cobaltato di litio (LCO), che può essere avvolto in una struttura a pila quadrata di spessore. All'incrocio, è costituito da due pile rigide spesse e una parte flessibile. Ancora più importante, la pila spessa ha una superficie curva equivalente alla copertura dell'osso articolare, che aiuta a tamponare la pressione e fornisce la capacità principale della batteria flessibile. La parte elastica funge da legamento, collegando pile spesse e fornendo flessibilità (Figura 1c). Oltre all'avvolgimento in una pila quadrata, le batterie con celle cilindriche o triangolari possono anche essere prodotte cambiando il metodo di avvolgimento (Figura 1d). Per le LIB flessibili con unità di accumulo di energia quadrate, i segmenti interconnessi rotoleranno lungo la superficie a forma di arco della pila spessa durante il processo di piegatura (Figura 1e), aumentando così significativamente la densità di energia della batteria flessibile. Inoltre, attraverso l'incapsulamento polimerico elastico, i LIB flessibili con unità cilindriche possono ottenere proprietà estensibili e flessibili (Figura 1f).
Figura 1 (a) Il design della connessione legamentosa unica e della superficie curva è essenziale per ottenere flessibilità; (b) diagramma schematico della struttura flessibile della batteria e del processo di fabbricazione; (c) l'osso corrisponde a una pila di elettrodi più spessa e il legamento corrisponde a una batteria srotolata (D) Struttura flessibile della batteria con celle cilindriche e triangolari; (e) diagramma schematico di impilamento di celle quadrate; (f) Allungamento della deformazione delle celle cilindriche.
2. Analisi di simulazione agli elementi finiti
L'ulteriore utilizzo dell'analisi di simulazione meccanica ha confermato la stabilità della struttura flessibile della batteria. La Figura 2a mostra la distribuzione delle sollecitazioni del rame e del foglio di alluminio quando piegato in un cilindro (180° radiante). I risultati mostrano che lo stress del rame e del foglio di alluminio è molto inferiore al loro carico di snervamento, indicando che questa deformazione non causerà deformazione plastica. L'attuale collettore di metallo può evitare danni irreversibili.
La figura 2b mostra la distribuzione delle sollecitazioni quando il grado di flessione viene ulteriormente aumentato e anche la sollecitazione della lamina di rame e della lamina di alluminio è inferiore alla loro corrispondente resistenza allo snervamento. Pertanto, la struttura può resistere alla deformazione da piegatura mantenendo una buona durata. Oltre alla deformazione a flessione, il sistema può raggiungere un certo grado di distorsione (Figura 2c).
Per le batterie con unità cilindriche, a causa delle caratteristiche intrinseche del cerchio, può ottenere deformazioni più gravi e complesse. Pertanto, quando la batteria è piegata a 180° (Figura 2d, e), allungata a circa il 140% della lunghezza originale (Figura 2f) e ruotata a 90° (Figura 2g), può mantenere la stabilità meccanica. Inoltre, quando la flessione + torsione e la deformazione dell'avvolgimento vengono applicate separatamente, la struttura LIB progettata non causerà una deformazione plastica irreversibile dell'attuale collettore di metallo in varie deformazioni gravi e complesse.
Figura 2 (ac) Risultati della simulazione agli elementi finiti di una cella quadrata sotto piegatura, piegatura e torsione; (di) Risultati della simulazione agli elementi finiti di una cella cilindrica sottoposta a piegatura, piegatura, allungamento, torsione, piegatura + torsione e avvolgimento.
3. Prestazioni elettrochimiche dei LIB flessibili dell'unità di accumulo di energia quadrata
Per valutare le prestazioni elettrochimiche della batteria flessibile progettata, è stato utilizzato LiCoO2 come materiale catodico per testare la capacità di scarica e la stabilità del ciclo. Come mostrato nella Figura 3a, la capacità di scarica della batteria con celle quadrate non si riduce significativamente dopo che l'aereo è stato deformato per piegarsi, ad anello, piegato e attorcigliato con un ingrandimento di 1 C, il che significa che la deformazione meccanica non causerà la progettazione di la batteria flessibile per essere elettrochimicamente Le prestazioni calano. Anche dopo la flessione dinamica (figura 3c, d) e la torsione dinamica (figura 3e, f), e dopo un certo numero di cicli, la piattaforma di carico e scarico e le prestazioni a ciclo lungo non hanno cambiamenti evidenti, il che significa che la struttura interna di la batteria è ben protetta.
Figura 3 (a) Prova di carica e scarica della batteria dell'unità quadrata sotto 1C; (b) Curva di carica e scarica in condizioni diverse; (c, d) in flessione dinamica, prestazioni del ciclo della batteria e corrispondente curva di carica e scarica; (e, f) In torsione dinamica, le prestazioni del ciclo della batteria e la corrispondente curva di carica-scarica in cicli diversi.
4. Prestazioni elettrochimiche dei LIB flessibili dell'unità di accumulo di energia cilindrica
I risultati dell'analisi della simulazione mostrano che, grazie alle caratteristiche intrinseche del cerchio, i LIB flessibili con elementi cilindrici possono sopportare deformazioni più estreme e complesse. Pertanto, per dimostrare le prestazioni elettrochimiche dei LIB flessibili dell'unità cilindrica, il test è stato eseguito a una velocità di 1 C, il che ha dimostrato che quando la batteria subisce varie deformazioni, non vi è quasi alcun cambiamento nelle prestazioni elettrochimiche. La deformazione non cambierà la curva di tensione (Figura 4a, b).
Per valutare ulteriormente la stabilità elettrochimica e la durata meccanica della batteria cilindrica, ha sottoposto la batteria a un test di carico dinamico automatizzato a una velocità di 1 C. La ricerca mostra che dopo l'allungamento dinamico (Figura 4c, d), la torsione dinamica (Figura 4e, f) , e flessione + torsione dinamica (Figura 4g, h), le prestazioni del ciclo di carica-scarica della batteria e la curva di tensione corrispondente non sono influenzate. La Figura 4i mostra le prestazioni di una batteria con un'unità di accumulo di energia colorata. La capacità di scarica decade da 133.3 mAm g-1 a 129.9 mAh g-1 e la perdita di capacità per ciclo è solo dello 0.04%, indicando che la deformazione non influirà sulla stabilità del ciclo e sulla capacità di scarica.
Figura 4 (a) Prova del ciclo di carica e scarica di diverse configurazioni di celle cilindriche a 1°C; (b) Corrispondenti curve di carica e scarica della batteria in condizioni diverse; (c, d) Prestazioni del ciclo e carica della batteria sotto tensione dinamica Curva di scarica; e, f) le prestazioni del ciclo della batteria in torsione dinamica e la corrispondente curva di carica-scarica in cicli diversi; (g, h) le prestazioni del ciclo della batteria in flessione + torsione dinamica e la corrispondente curva di carica-scarica in cicli diversi; (I) Prova di carica e scarica di batterie di unità prismatiche con diverse configurazioni a 1 C.
5. Applicazione di prodotti elettronici flessibili e indossabili
Per valutare l'applicazione pratica della batteria flessibile sviluppata, l'autore utilizza batterie piene con diversi tipi di unità di accumulo di energia per alimentare alcuni prodotti elettronici commerciali, come auricolari, smartwatch, mini ventilatori elettrici, strumenti cosmetici e smartphone. Entrambi sono sufficienti per l'uso quotidiano, incarnano pienamente il potenziale applicativo di vari prodotti elettronici flessibili e indossabili.
La Figura 5 applica la batteria progettata ad auricolari, smartwatch, mini ventilatori elettrici, apparecchiature cosmetiche e smartphone. La batteria flessibile fornisce alimentazione per (a) auricolari, (b) smartwatch e (c) mini ventilatori elettrici; (d) fornisce energia per apparecchiature cosmetiche; (e) in diverse condizioni di deformazione, la batteria flessibile fornisce energia agli smartphone.
In sintesi, questo articolo si ispira alla struttura delle articolazioni umane. Propone un metodo di progettazione unico per la produzione di una batteria flessibile con elevata densità di energia, deformabilità multipla e durata. Rispetto ai tradizionali LIB flessibili, questo nuovo design può evitare efficacemente la deformazione plastica dell'attuale collettore di metallo. Allo stesso tempo, le superfici curve riservate ad entrambe le estremità dell'unità di accumulo di energia progettata in questo documento possono alleviare efficacemente lo stress locale dei componenti interconnessi. Inoltre, diversi metodi di avvolgimento possono modificare la forma della pila, conferendo alla batteria una sufficiente deformabilità. La batteria flessibile mostra un'eccellente stabilità del ciclo e durata meccanica grazie al nuovo design e ha ampie prospettive di applicazione in vari prodotti elettronici flessibili e indossabili.
Design strutturale ispirato alle articolazioni umane per batterie pieghevoli/pieghevoli/estensibili/girevoli: ottenere deformabilità multipla. (Ambiente energetico. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
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