Hong Kong CityU EES: Sveigjanleg litíumjónarafhlaða innblásin af liðum manna

Rannsóknarbakgrunnur

Aukin eftirspurn eftir rafeindavörum hefur stuðlað að hraðri þróun sveigjanlegra og orkuþéttra geymslutækja undanfarin ár. Sveigjanlegar litíum jón rafhlöður (LIB) með mikla orkuþéttleika og stöðugan rafefnafræðilegan árangur eru talin vænlegasta rafhlöðutæknin fyrir rafeindavörur sem hægt er að nota. Þó að notkun þunnfilmu rafskauta og fjölliða rafskauta bæti verulega sveigjanleika LIBs, þá eru eftirfarandi vandamál:

(1) Flestum sveigjanlegum rafhlöðum er staflað af „neikvæðri rafskauta-skiljara-jákvæðu rafskauti,“ og takmörkuð aflögunarhæfni þeirra og rennur á milli margra laga stafla takmarkar heildarframmistöðu LIBs;

(2) Við erfiðari aðstæður, eins og að brjóta saman, teygja, vinda og flókna aflögun, getur það ekki tryggt afköst rafhlöðunnar;

(3) Hluti hönnunarstefnunnar hunsar aflögun núverandi málmsafnara.

Þess vegna stendur enn frammi fyrir mörgum áskorunum að ná vægu beygjuhorni, mörgum aflögunarhamum, yfirburða vélrænni endingu og mikilli orkuþéttleika samtímis.

Hvernig gengur lífið dag frá degi? Er það í jafnvægi og allt eins og það á að vera? Er jafnvægi hvort sem litið er á veraldlega stöðu eða andlega? Lífið er eins og það er. Það er ekki alltaf sólskyn. Það koma reglulega lægðir með rok og rigningu. Við vitum að í heildar samhenginu er lægð hluti af vistkerfi að leita að jafnvægi. Stundum erum við stödd í miðju lægðarinnar. Þar er logn og gott veður, sama hvað gengur á þar sem stormurinn er mestur. Sama lögmál gildir varðandi þitt eigið líf. Ef þú ert í þinn miðju, þínum sannleik þá heldur þú alltaf jafnvægi átakalaust. Sama hvað gustar mikið frá þér þegar þú lætur til þín taka. Huldufólk hefur gefið okkur hugleiðslu sem hjálpar okkur að finna þessa miðju, finna kjarna okkar og sannleikann sem í honum býr. Þegar þú veist hver þú ert og hvers vegna þú ert hér, mun líf þitt vera í flæðandi jafnvægi. Hugleiðslan virkjar þekkinguna sem er í vitund jarðar og færir hana með lífsorkunni inn í líkama okkar. Þar skoðar hún hugsana og hegðunar munstrið og athugar hvort það myndar átakalausu flæðandi jafnvægi. Hinn möguleikinn er falskt jafnvægi sem hafa þarf fyrir að viðhalda með tilheyrandi striti, áhyggjum og ótta. Síðan leiðbeinir þessi þekking okkur að því jafnvægi sem er okkur eðlilegt. Við blómstrum átakalaust, líkt og planta sem vex átakalaut frá fræi í fullþroska plöntu sem ber ávöxt.

Nýlega birtu prófessor Chunyi Zhi og Dr. Cuiping Han við borgarháskólann í Hong Kong ritgerð sem ber titilinn "Human joint inspired structural design for beygbar/brjótanleg/teygjanleg/snúin rafhlaða: ná margfaldri aflögun" á Energy Environ. Sci. Þetta verk var innblásið af uppbyggingu mannlegra liða og hannaði eins konar sveigjanlegar LIBs svipað liðakerfinu. Byggt á þessari nýju hönnun getur tilbúna, sveigjanlega rafhlaðan náð miklum orkuþéttleika og verið beygð eða jafnvel brotin í 180°. Á sama tíma er hægt að breyta burðarvirkinu með mismunandi vindaaðferðum þannig að sveigjanleg LIBs hafi mikla aflögunargetu, hægt er að beita þeim á alvarlegri og flóknari aflögun (vinda og snúa) og jafnvel hægt að teygja, og aflögunargeta þeirra er langt umfram fyrri skýrslur um sveigjanlega LIB. Endanleg frumeiningagreining staðfesti að rafhlaðan sem er hönnuð í þessari grein myndi ekki gangast undir óafturkræfa plastaflögun núverandi málmsafnara við ýmsar harðar og flóknar aflögun. Á sama tíma getur samansett ferninga rafhlaðan náð allt að 371.9 Wh/L orkuþéttleika, sem er 92.9% af hefðbundinni mjúkri rafhlöðu. Að auki getur það viðhaldið stöðugri frammistöðu í hringrásinni jafnvel eftir meira en 200,000 sinnum kraftmikla beygju og 25,000 sinnum kraftmikla röskun.

Frekari rannsóknir sýna að samsettur sívalur einingafrumur þolir alvarlegri og flóknari aflögun. Eftir meira en 100,000 kraftmikla teygjur, 20,000 snúninga og 100,000 beygjuaflögun getur það samt náð háum getu sem er meira en 88% - varðveisluhlutfall. Þess vegna veita sveigjanlegu LIBs sem lagðar eru til í þessari grein gríðarlega möguleika á hagnýtum notkunum í rafeindatækni sem hægt er að nota.

Hápunktar rannsókna

1) Sveigjanleg LIBs, innblásin af liðamótum manna, geta viðhaldið stöðugri frammistöðu hringrásar við beygju, snúning, teygju og aflögun á vinda;

(2) Með ferkantaðri sveigjanlegri rafhlöðu getur hún náð orkuþéttleika allt að 371.9 Wh/L, sem er 92.9% af hefðbundinni mjúkri rafhlöðu;

(3) Mismunandi vindaaðferðir geta breytt lögun rafhlöðunnar og gefið rafhlöðunni nægilega aflögunarhæfni.

Grafísk leiðarvísir

Rannsóknir hafa sýnt að, auk þess að tryggja mikla orkuþéttleika og flóknari aflögun, verður burðarvirkishönnunin einnig að forðast plastaflögun núverandi safnara. Eftirlíkingin með endanlegum þáttum sýnir að besta aðferðin við straumsafnarann ​​ætti að vera að koma í veg fyrir að straumsafnarinn hafi lítinn beygjuradíus meðan á beygjuferlinu stendur til að forðast plastaflögun og óafturkræfar skemmdir á straumsafnaranum.

Mynd 1a sýnir uppbyggingu mannskepna, þar sem snjalla, stærra bogadregna yfirborðshönnunin hjálpar liðunum að snúast mjúklega. Byggt á þessu sýnir mynd 1b dæmigerð grafítskaut/þind/litíumkóbaltat (LCO) rafskaut, sem hægt er að vinda í ferningaþykka staflabyggingu. Á mótunum samanstendur það af tveimur þykkum stífum stafla og sveigjanlegum hluta. Meira um vert er að þykki staflan er með bogadregnu yfirborði sem jafngildir liðbeinhlífinni, sem hjálpar til við biðminni og veitir aðalgetu sveigjanlegu rafhlöðunnar. Teygjuhlutinn virkar sem liðband, tengir þykka stafla og veitir sveigjanleika (Mynd 1c). Auk þess að vinda í ferningabunka er einnig hægt að framleiða rafhlöður með sívalur eða þríhyrningslaga frumur með því að breyta vindaaðferðinni (Mynd 1d). Fyrir sveigjanlegar LIBs með ferkantaða orkugeymslueiningar munu samtengdu hlutarnir rúlla meðfram bogalaga yfirborði þykka staflans meðan á beygjuferlinu stendur (Mynd 1e), og auka þar með verulega orkuþéttleika sveigjanlegu rafhlöðunnar. Að auki, með teygjanlegri fjölliðahjúpun, geta sveigjanlegar LIBs með sívalur einingum náð teygjanlegum og sveigjanlegum eiginleikum (Mynd 1f).

Mynd 1 (a) Hönnun einstakrar liðbandstengingar og bogadregins yfirborðs er nauðsynleg til að ná fram sveigjanleika; (b) Skýringarmynd af sveigjanlegri rafhlöðubyggingu og framleiðsluferli; (c) bein samsvarar þykkari rafskautsstafla og liðband samsvarar afrúlluðum (D) Sveigjanleg rafhlöðubygging með sívalur og þríhyrningslaga frumur; (e) Stöflun skýringarmynd af fermetra frumum; (f) Teygjuaflögun sívalningslaga frumna.

Frekari notkun á vélrænni hermigreiningu staðfesti stöðugleika sveigjanlegrar rafhlöðubyggingarinnar. Mynd 2a sýnir álagsdreifingu kopar og álpappírs þegar það er beygt í strokk (180° radían). Niðurstöðurnar sýna að álagið á kopar- og álpappír er mun lægra en uppskeruþol þeirra, sem gefur til kynna að þessi aflögun muni ekki valda plastlegri aflögun. Núverandi málmsafnari getur forðast óafturkræfan skaða.

Mynd 2b sýnir streitudreifingu þegar beygjustigið er aukið enn frekar og álagið á koparþynnu og álþynnu er einnig minna en samsvarandi flæðistyrkur þeirra. Þess vegna þolir uppbyggingin aflögun á fellingu á meðan hún heldur góðri endingu. Auk þess að beygja aflögun getur kerfið náð ákveðinni röskun (Mynd 2c).

Fyrir rafhlöður með sívalur einingum, vegna eðlislægra eiginleika hringsins, getur það náð alvarlegri og flóknari aflögun. Þess vegna, þegar rafhlaðan er brotin saman í 180o (Mynd 2d, e), teygð í um 140% af upprunalegri lengd (Mynd 2f), og snúin í 90o (Mynd 2g), getur hún viðhaldið vélrænum stöðugleika. Að auki, þegar beygja + snúningur og vinda aflögun er beitt sérstaklega, mun hönnuð uppbygging LIBs ekki valda óafturkræfri plastaflögun núverandi málmsafnara við ýmsar alvarlegar og flóknar aflögun.

Mynd 2 (ac) Niðurstöður endanlegra þátta eftirlíkinga af ferhyrndu frumu undir beygju, brjóta saman og snúa; (di) Niðurstöður endanlegra þátta eftirlíkinga af sívalningslaga frumu undir beygingu, brjóta saman, teygja, snúa, beygja + snúning og vinda.

Til að meta rafefnafræðilega frammistöðu hönnuðu sveigjanlegu rafhlöðunnar var LiCoO2 notað sem bakskautsefni til að prófa losunargetu og stöðugleika hringrásarinnar. Eins og sýnt er á mynd 3a minnkar losunargeta rafhlöðunnar með ferningafrumum ekki verulega eftir að flugvélin er aflöguð til að beygja, hringja, brjóta saman og snúa við 1 C stækkun, sem þýðir að vélræn aflögun mun ekki valda hönnun sveigjanleg rafhlaða til að vera rafefnafræðilega Afköst lækkar. Jafnvel eftir kraftmikla beygju (mynd 3c, d) og kraftmikla snúning (mynd 3e, f), og eftir ákveðinn fjölda lota, hafa hleðslu- og losunarpallurinn og langtímaframmistaða engar augljósar breytingar, sem þýðir að innri uppbygging rafhlaðan er vel varin.

Mynd 3 (a) Hleðslu- og afhleðslupróf á fermetra einingu rafhlöðu undir 1C; (b) Hleðslu- og losunarferill við mismunandi aðstæður; (c, d) Við kraftmikla beygju, frammistöðu rafhlöðulotu og samsvarandi hleðslu- og afhleðsluferil; (e, f) Undir kraftmiklum snúningi, afköst rafhlöðunnar og samsvarandi hleðslu- og afhleðsluferill í mismunandi lotum.

Niðurstöður hermigreiningar sýna að þökk sé eðliseiginleikum hringsins geta sveigjanlegir LIBs með sívalningum þola öfgafyllri og flóknari aflögun. Þess vegna, til að sýna fram á rafefnafræðilega frammistöðu sveigjanlegra LIBs sívalningseiningarinnar, var prófið framkvæmt á hraðanum 1 C, sem sýndi að þegar rafhlaðan gengst undir ýmsar aflögun, er nánast engin breyting á rafefnafræðilegri frammistöðu. Aflögunin mun ekki valda því að spennukúrfan breytist (Mynd 4a, b).

Til að meta frekar rafefnafræðilegan stöðugleika og vélrænan endingu sívalnings rafhlöðunnar, setti hún rafhlöðuna í kraftmikið sjálfvirkt álagspróf á hraðanum 1 C. Rannsóknir sýna að eftir kraftmikla teygju (Mynd 4c, d), kraftmikinn torsion (Mynd 4e, f). , og kraftmikil beygja + snúningur (Mynd 4g, h), afköst rafhlöðunnar og afhleðslu hringrásarinnar og samsvarandi spennukúrfa hafa ekki áhrif. Mynd 4i sýnir frammistöðu rafhlöðu með litríkri orkugeymslueiningu. Losunargetan minnkar úr 133.3 mAm g-1 í 129.9 mAh g-1 og afkastagetu á hverri lotu er aðeins 0.04%, sem gefur til kynna að aflögun muni ekki hafa áhrif á hringrásarstöðugleika og losunargetu.

Mynd 4 (a) Hleðslu- og losunarlotuprófun á mismunandi stillingum sívalningslaga fruma við 1 C; (b) Samsvarandi hleðslu- og afhleðsluferlar rafhlöðunnar við mismunandi aðstæður; (c, d) Hringrás og hleðsla rafhlöðunnar við kraftmikla spennu Afhleðsluferill; (e, f) lotuafköst rafgeymisins við kraftmikið snúning og samsvarandi hleðslu-afhleðsluferil við mismunandi lotur; (g, h) lotuafköst rafgeymisins við kraftmikla beygju + snúning og samsvarandi hleðslu-úthleðsluferil við mismunandi lotur; (I) Hleðslu- og afhleðsluprófun á prismatískum rafhlöðum með mismunandi stillingum við 1 C.

Til að meta notkun þróuðu sveigjanlegu rafhlöðunnar í reynd notar höfundurinn fullar rafhlöður með mismunandi gerðum orkugeymslueininga til að knýja sumar rafeindavörur í verslunum, eins og heyrnartól, snjallúr, litla rafmagnsviftur, snyrtivörur og snjallsíma. Hvort tveggja nægir til daglegrar notkunar, felur í sér fullkomlega notkunarmöguleika ýmissa sveigjanlegra og klæðanlegra rafrænna vara.

Mynd 5 notar hönnuð rafhlöðu fyrir heyrnartól, snjallúr, litla rafmagnsviftur, snyrtivörubúnað og snjallsíma. Sveigjanlega rafhlaðan veitir orku fyrir (a) heyrnartól, (b) snjallúr og (c) rafmagnsviftur; d) veitir rafmagn fyrir snyrtivörubúnað; (e) við mismunandi aflögunarskilyrði gefur sveigjanlega rafhlaðan afl fyrir snjallsíma.

Samantekt og horfur

Í stuttu máli er þessi grein innblásin af uppbyggingu mannlegra liða. Það leggur til einstaka hönnunaraðferð til að framleiða sveigjanlega rafhlöðu með miklum orkuþéttleika, margfaldri aflögunarhæfni og endingu. Í samanburði við hefðbundna sveigjanlega LIB getur þessi nýja hönnun í raun komið í veg fyrir plastaflögun núverandi málmsafnara. Á sama tíma geta bogadregnu yfirborðin sem eru frátekin á báðum endum orkugeymslueiningarinnar sem er hönnuð í þessari grein í raun létta staðbundið álag á samtengdu íhlutunum. Að auki geta mismunandi vindaaðferðir breytt lögun stafla, sem gefur rafhlöðunni nægilega aflögunarhæfni. Sveigjanlega rafhlaðan sýnir framúrskarandi hringrásarstöðugleika og vélræna endingu þökk sé nýrri hönnun og hefur mikla möguleika á notkun í ýmsum sveigjanlegum og nothæfum rafeindavörum.

Bókmenntakengil

Mannleg samskeyti innblásin burðarvirkishönnun fyrir beygjanlega/brjótanlega/teygjanlega/snúninga rafhlöðu: nær margfaldri aflögunarhæfni. (Orkuumhverfi. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)