Hong Kong CityU EES: लचिलो लिथियम-आयन ब्याट्री मानव जोर्नीबाट प्रेरित

अनुसन्धान पृष्ठभूमि

इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरूको बढ्दो मागले हालका वर्षहरूमा लचिलो र उच्च-ऊर्जा-घनत्व भण्डारण उपकरणहरूको द्रुत विकासलाई बढावा दिएको छ। लचिलो लिथियम आयन ब्याट्रीहरू (LIBs) उच्च ऊर्जा घनत्व र स्थिर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन संग पहिरन योग्य इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरु को लागी सबैभन्दा आशाजनक ब्याट्री प्रविधि मानिन्छ। यद्यपि पातलो-फिल्म इलेक्ट्रोडहरू र पोलिमर-आधारित इलेक्ट्रोडहरूको प्रयोगले नाटकीय रूपमा LIBs को लचिलोपन सुधार गर्दछ, त्यहाँ निम्न समस्याहरू छन्:

(1) धेरै लचिलो ब्याट्रीहरू "नकारात्मक इलेक्ट्रोड-सेपरेटर-पोजिटिभ इलेक्ट्रोड" द्वारा स्ट्याक गरिएका छन् र तिनीहरूको सीमित विकृति र बहु-तह स्ट्याकहरू बीचको स्लिपेजले LIBs को समग्र प्रदर्शनलाई प्रतिबन्धित गर्दछ;

(२) केही थप गम्भीर अवस्थाहरूमा, जस्तै फोल्डिङ, स्ट्रेचिङ, घुमाउरो र जटिल विकृति, यसले ब्याट्री कार्यसम्पादनको ग्यारेन्टी गर्न सक्दैन;

(3) डिजाइन रणनीतिको अंशले हालको धातु कलेक्टरको विकृतिलाई बेवास्ता गर्दछ।

तसर्थ, एकै साथ यसको हल्का झुकाउने कोण, धेरै विकृति मोडहरू, उत्कृष्ट मेकानिकल स्थायित्व, र उच्च ऊर्जा घनत्व हासिल गर्न अझै धेरै चुनौतीहरू छन्।

परिचय

हालै, हङकङको सिटी युनिभर्सिटीका प्रोफेसर चुनी झी र डा. कुइपिङ हानले ऊर्जा वातावरणमा "बेन्डेबल/फोल्डेबल/स्ट्रेचेबल/ट्विस्टेबल ब्याट्रीका लागि मानव संयुक्त प्रेरित संरचनात्मक डिजाइन: धेरै विकृतिहरू प्राप्त गर्ने" शीर्षकको एउटा पेपर प्रकाशित गर्नुभयो। विज्ञान यो काम मानव जोर्नीहरूको संरचनाबाट प्रेरित थियो र संयुक्त प्रणाली जस्तै लचिलो LIBs को डिजाइन गरिएको थियो। यस उपन्यास डिजाइनमा आधारित, तयार गरिएको, लचिलो ब्याट्रीले उच्च ऊर्जा घनत्व हासिल गर्न सक्छ र 180° मा झुकाउन वा फोल्ड गर्न सक्छ। एकै समयमा, संरचनात्मक संरचनालाई विभिन्न घुमाउरो विधिहरू मार्फत परिवर्तन गर्न सकिन्छ ताकि लचिलो LIB हरूमा समृद्ध विरूपण क्षमताहरू छन्, अधिक गम्भीर र जटिल विकृतिहरूमा लागू गर्न सकिन्छ (वाइन्डिङ र ट्विस्टिङ), र तन्काउन सकिन्छ, र तिनीहरूको विकृति क्षमताहरू छन्। लचिलो LIB हरूको अघिल्लो रिपोर्टहरू भन्दा धेरै पर। सीमित तत्व सिमुलेशन विश्लेषणले पुष्टि गर्‍यो कि यस कागजमा डिजाइन गरिएको ब्याट्रीले हालको धातु कलेक्टरको अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विकृति विभिन्न कठोर र जटिल विकृतिहरू अन्तर्गत पार गर्दैन। एकै समयमा, एसेम्बल गरिएको स्क्वायर युनिट ब्याट्रीले 371.9 Wh/L सम्मको ऊर्जा घनत्व हासिल गर्न सक्छ, जुन परम्परागत सफ्ट प्याक ब्याट्रीको 92.9% हो। थप रूपमा, यसले 200,000 पटक गतिशील झुकाउने र 25,000 पटक गतिशील विकृति पछि पनि स्थिर चक्र प्रदर्शन कायम राख्न सक्छ।

थप अनुसन्धानले देखाउँछ कि भेला गरिएको बेलनाकार एकाइ सेलले अधिक गम्भीर र जटिल विकृतिहरू सामना गर्न सक्छ। 100,000 भन्दा बढी गतिशील स्ट्रेचिङहरू, 20,000 ट्विस्टहरू, र 100,000 झुकाउने विकृतिहरू पछि, यसले अझै पनि 88% भन्दा बढीको उच्च क्षमता हासिल गर्न सक्छ — अवधारण दर। त्यसकारण, यस पेपरमा प्रस्तावित लचिलो LIBs ले पहिरन योग्य इलेक्ट्रोनिक्समा व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूको लागि ठूलो सम्भावना प्रदान गर्दछ।

अनुसन्धान हाइलाइटहरू

1) लचिलो LIBs, मानव जोडहरू द्वारा प्रेरित, झुकाउने, घुमाउने, स्ट्रेचिङ, र घुमाउरो विकृति अन्तर्गत स्थिर चक्र प्रदर्शन कायम राख्न सक्छ;

(2) वर्ग लचिलो ब्याट्रीको साथ, यसले 371.9 Wh/L सम्मको ऊर्जा घनत्व प्राप्त गर्न सक्छ, जुन परम्परागत सफ्ट-प्याक ब्याट्रीको 92.9% हो;

(3) विभिन्न घुमाउरो विधिहरूले ब्याट्री स्ट्याकको आकार परिवर्तन गर्न र ब्याट्रीलाई पर्याप्त विकृति प्रदान गर्न सक्छ।

ग्राफिक गाइड

अनुसन्धानले देखाएको छ कि, उच्च मात्रा ऊर्जा घनत्व र अधिक जटिल विरूपण सुनिश्चित गर्नुको अतिरिक्त, संरचनात्मक डिजाइनले हालको कलेक्टरको प्लास्टिक विकृतिलाई पनि बेवास्ता गर्नुपर्छ। परिमित तत्व सिमुलेशनले देखाउँछ कि हालको कलेक्टरको उत्तम विधि हालको कलेक्टरलाई प्लास्टिक विरूपण र हालको कलेक्टरको अपरिवर्तनीय क्षतिबाट बच्न झुकाउने प्रक्रियाको क्रममा सानो झुकाउने त्रिज्या हुनबाट रोक्नको लागि हुनुपर्छ।

चित्र 1a ले मानव जोडहरूको संरचना देखाउँछ, जसमा चलाखीपूर्वक ठूला घुमाउरो सतह डिजाइनले जोर्नीहरूलाई सहज रूपमा घुमाउन मद्दत गर्दछ। यसको आधारमा, चित्र 1b ले एक विशिष्ट ग्रेफाइट एनोड/डायाफ्राम/लिथियम कोबाल्टेट (LCO) एनोड देखाउँछ, जसलाई वर्ग मोटो स्ट्याक संरचनामा घाउ गर्न सकिन्छ। जंक्शनमा, यसमा दुई बाक्लो कडा स्ट्याकहरू र लचिलो भागहरू हुन्छन्। अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, बाक्लो स्ट्याकमा संयुक्त हड्डी कभरको बराबर घुमाउरो सतह हुन्छ, जसले बफर दबाबमा मद्दत गर्दछ र लचिलो ब्याट्रीको प्राथमिक क्षमता प्रदान गर्दछ। लोचदार भागले लिगामेन्टको रूपमा कार्य गर्दछ, बाक्लो स्ट्याकहरू जडान गर्दछ र लचिलोपन प्रदान गर्दछ (चित्र 1c)। वर्गाकार पाइलमा घुमाउनुको अतिरिक्त, बेलनाकार वा त्रिकोणीय कक्षहरू भएका ब्याट्रीहरू घुमाउने विधि (चित्र 1d) परिवर्तन गरेर पनि निर्माण गर्न सकिन्छ। वर्ग ऊर्जा भण्डारण एकाइहरू भएका लचिलो LIB हरूका लागि, आपसमा जोडिएका खण्डहरू मोटो स्ट्याकको चाप-आकारको सतहमा झुकाउने प्रक्रिया (चित्र 1e) सँगसँगै घुम्नेछ, जसले गर्दा लचिलो ब्याट्रीको ऊर्जा घनत्वमा उल्लेखनीय वृद्धि हुन्छ। थप रूपमा, लोचदार पोलिमर इन्क्याप्सुलेशन मार्फत, बेलनाकार एकाइहरूका साथ लचिलो LIBs ले स्ट्रेच योग्य र लचिलो गुणहरू प्राप्त गर्न सक्छ (चित्र 1f)।

चित्र 1 (a) अद्वितीय लिगामेन्ट जडान र घुमाउरो सतहको डिजाइन लचिलोपन प्राप्त गर्न आवश्यक छ; (b) लचिलो ब्याट्री संरचना र निर्माण प्रक्रियाको योजनाबद्ध रेखाचित्र; (c) हड्डी बाक्लो इलेक्ट्रोड स्ट्याकसँग मेल खान्छ, र लिगामेन्ट अनरोल गरिएकोसँग मेल खान्छ (D) बेलनाकार र त्रिकोणीय कक्षहरूको साथ लचिलो ब्याट्री संरचना; (e) वर्ग कक्षहरूको योजनाबद्ध रेखाचित्र स्ट्याकिंग; (f) बेलनाकार कोशिकाहरूको स्ट्रेचिङ विरूपण।

मेकानिकल सिमुलेशन विश्लेषणको थप प्रयोगले लचिलो ब्याट्री संरचनाको स्थिरता पुष्टि गर्‍यो। चित्र 2a ले सिलिन्डर (180° रेडियन) मा झुक्दा तामा र एल्युमिनियम पन्नीको तनाव वितरण देखाउँछ। परिणामहरूले देखाउँछ कि तामा र एल्युमिनियम पन्नीको तनाव तिनीहरूको उपज शक्ति भन्दा धेरै कम छ, यो विरूपणले प्लास्टिकको विकृति निम्त्याउने छैन भनेर संकेत गर्दछ। हालको धातु कलेक्टरले अपरिवर्तनीय क्षतिबाट बच्न सक्छ।

चित्र 2b ले तनाव वितरण देखाउँदछ जब झुकाउने डिग्री थप बढ्छ, र तामा पन्नी र एल्युमिनियम पन्नीको तनाव पनि तिनीहरूको सम्बन्धित उपज शक्ति भन्दा कम हुन्छ। तसर्थ, संरचनाले राम्रो स्थायित्व कायम गर्दा तह विरूपण सामना गर्न सक्छ। झुकाव विरूपण को अतिरिक्त, प्रणाली विरूपण को एक निश्चित डिग्री हासिल गर्न सक्छ (चित्र 2c)।

बेलनाकार एकाइहरु संग ब्याट्री को लागी, सर्कल को अन्तर्निहित विशेषताहरु को कारण, यो अधिक गम्भीर र जटिल विरूपण प्राप्त गर्न सक्छ। त्यसकारण, जब ब्याट्रीलाई 180o (चित्र 2d, e) मा फोल्ड गरिन्छ, मूल लम्बाइ (चित्र 140f) को लगभग 2% मा फैलिन्छ, र 90o (चित्र 2g) मा घुमाइन्छ, यसले मेकानिकल स्थिरता कायम गर्न सक्छ। थप रूपमा, जब झुकाउने + घुमाउने र घुमाउरो विरूपण अलग-अलग लागू गरिन्छ, डिजाइन गरिएको LIBs संरचनाले विभिन्न गम्भीर र जटिल विकृतिहरू अन्तर्गत हालको धातु कलेक्टरको अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विकृति निम्त्याउँदैन।

चित्र २ (ac) झुकाउने, फोल्ड गर्ने र घुमाउने अन्तर्गत वर्गाकार कक्षको परिमित तत्व सिमुलेशन परिणामहरू; (di) झुक्नु, फोल्डिङ, स्ट्रेचिङ, ट्विस्टिङ, बेन्डिङ + ट्विस्टिङ र घुमाउरो अन्तर्गत बेलनाकार सेलको परिमित तत्व सिमुलेशन परिणामहरू।

डिजाइन गरिएको लचिलो ब्याट्रीको इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनको मूल्याङ्कन गर्न, LiCoO2 लाई डिस्चार्ज क्षमता र चक्र स्थिरता परीक्षण गर्न क्याथोड सामग्रीको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो। चित्र 3a मा देखाइए अनुसार, वर्ग कक्षहरू भएको ब्याट्रीको डिस्चार्ज क्षमतालाई 1 C म्याग्निफिकेसनमा झुकाउन, घण्टी, फोल्ड गर्न, र ट्विस्ट गर्न विकृत भएपछि, यसको मतलब मेकानिकल विकृतिले डिजाइनको कारण बनाउँदैन। इलेक्ट्रोकेमिकली हुन लचिलो ब्याट्री प्रदर्शन ड्रप। डायनामिक बेन्डिङ (चित्र 3c, d) र डायनामिक टोर्सन (चित्र 3e, f), र निश्चित संख्याको चक्र पछि पनि, चार्जिङ र डिस्चार्जिङ प्लेटफर्म र लामो-साइकल कार्यसम्पादनमा कुनै स्पष्ट परिवर्तनहरू छैनन्, जसको मतलब आन्तरिक संरचना ब्याट्री राम्रोसँग सुरक्षित छ।

चित्र 3 (a) 1C अन्तर्गत वर्ग इकाई ब्याट्रीको चार्ज र डिस्चार्ज परीक्षण; (b) विभिन्न अवस्थाहरूमा चार्ज र डिस्चार्ज कर्भ; (c, d) गतिशील झुकाव, ब्याट्री चक्र कार्यसम्पादन र सम्बन्धित चार्ज र डिस्चार्ज कर्भ अन्तर्गत; (e, f) डायनामिक टर्सन अन्तर्गत, ब्याट्रीको चक्र कार्यसम्पादन र विभिन्न चक्रहरू अन्तर्गत सम्बन्धित चार्ज-डिस्चार्ज कर्भ।

सिमुलेशन विश्लेषण परिणामहरूले देखाउँदछ कि सर्कलको अन्तर्निहित विशेषताहरूको लागि धन्यवाद, बेलनाकार तत्वहरू भएका लचिलो LIBs ले थप चरम र जटिल विकृतिहरू सामना गर्न सक्छ। त्यसकारण, बेलनाकार इकाईको लचिलो LIBs को इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन प्रदर्शन गर्न, परीक्षण 1 C को दरमा गरिएको थियो, जसले ब्याट्रीले विभिन्न विकृतिहरू पार गर्दा, इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनमा लगभग कुनै परिवर्तन हुँदैन भनेर देखाएको थियो। विरूपणले भोल्टेज कर्भलाई परिवर्तन गर्न दिँदैन (चित्र 4a, b)।

बेलनाकार ब्याट्रीको इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता र मेकानिकल स्थायित्वको थप मूल्याङ्कन गर्न, यसले ब्याट्रीलाई 1 C को दरमा गतिशील स्वचालित लोड परीक्षणको अधीनमा राख्यो। अनुसन्धानले देखाउँछ कि गतिशील स्ट्रेचिङ (चित्र 4c, d), डायनामिक टर्सन (चित्र 4e) पछि। , र गतिशील झुकाउने + टोर्सन (चित्र 4g, h), ब्याट्री चार्ज-डिस्चार्ज चक्र प्रदर्शन र सम्बन्धित भोल्टेज वक्र प्रभावित हुँदैन। चित्र 4i ले रंगीन ऊर्जा भण्डारण इकाईको साथ ब्याट्रीको प्रदर्शन देखाउँछ। डिस्चार्ज क्षमता 133.3 mAm g-1 बाट 129.9 mAh g-1 मा क्षय हुन्छ, र प्रति चक्र क्षमता 0.04% मात्र छ, विकृतिले यसको चक्र स्थिरता र डिस्चार्ज क्षमतालाई असर गर्दैन भन्ने संकेत गर्दछ।

चित्र 4 (a) 1 C मा बेलनाकार कक्षहरूको विभिन्न कन्फिगरेसनहरूको चार्ज र डिस्चार्ज चक्र परीक्षण; (b) विभिन्न परिस्थितिहरूमा ब्याट्रीको सम्बन्धित चार्ज र डिस्चार्ज कर्भहरू; (c, d) गतिशील तनाव डिस्चार्ज कर्भ अन्तर्गत ब्याट्रीको साइकल प्रदर्शन र चार्ज; (e, f) डायनामिक टर्सन अन्तर्गत ब्याट्रीको चक्र कार्यसम्पादन र विभिन्न चक्र अन्तर्गत सम्बन्धित चार्ज-डिस्चार्ज कर्भ; (g, h) डायनामिक बेन्डिङ + टोर्सन अन्तर्गत ब्याट्रीको चक्र कार्यसम्पादन र विभिन्न चक्रहरू अन्तर्गत सम्बन्धित चार्ज-डिस्चार्ज कर्भ; (I) 1 C मा विभिन्न कन्फिगरेसनहरूसँग प्रिज्म्याटिक एकाइ ब्याट्रीहरूको चार्ज र डिस्चार्ज परीक्षण।

अभ्यासमा विकसित लचिलो ब्याट्रीको प्रयोगको मूल्याङ्कन गर्न, लेखकले केही व्यावसायिक इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरू, जस्तै इयरफोन, स्मार्टवाचहरू, मिनी इलेक्ट्रिक फ्यानहरू, कस्मेटिक उपकरणहरू, र स्मार्ट फोनहरू पावर गर्न विभिन्न प्रकारका ऊर्जा भण्डारण इकाइहरूसँग पूर्ण ब्याट्रीहरू प्रयोग गर्छन्। दुबै दैनिक प्रयोगको लागि पर्याप्त छन्, विभिन्न लचिलो र पहिरन योग्य इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरूको आवेदन क्षमतालाई पूर्ण रूपमा मूर्त रूप दिन्छ।

चित्र 5 ले डिजाइन गरिएको ब्याट्रीलाई इयरफोन, स्मार्टवाच, मिनी इलेक्ट्रिक फ्यान, कस्मेटिक उपकरण र स्मार्टफोनहरूमा लागू गर्छ। लचिलो ब्याट्रीले (a) इयरफोनहरू, (b) स्मार्ट घडीहरू, र (c) मिनी इलेक्ट्रिक फ्यानहरूका लागि शक्ति आपूर्ति गर्दछ; (d) कस्मेटिक उपकरणहरूको लागि विद्युत आपूर्ति; (e) विभिन्न विकृति अवस्थाहरूमा, लचिलो ब्याट्रीले स्मार्टफोनका लागि शक्ति आपूर्ति गर्दछ।

सारांश र दृष्टिकोण

संक्षेपमा, यो लेख मानव जोडहरूको संरचनाबाट प्रेरित छ। यसले उच्च ऊर्जा घनत्व, धेरै विकृति र स्थायित्व भएको लचिलो ब्याट्री निर्माण गर्नको लागि एक अद्वितीय डिजाइन विधि प्रस्ताव गर्दछ। परम्परागत लचिलो LIB हरूको तुलनामा, यो नयाँ डिजाइनले हालको धातु कलेक्टरको प्लास्टिक विकृतिलाई प्रभावकारी रूपमा बेवास्ता गर्न सक्छ। एकै समयमा, यस पेपरमा डिजाइन गरिएको ऊर्जा भण्डारण एकाइको दुवै छेउमा आरक्षित घुमाउरो सतहहरूले प्रभावकारी रूपमा अन्तरसम्बन्धित घटकहरूको स्थानीय तनावलाई कम गर्न सक्छ। थप रूपमा, विभिन्न घुमाउरो विधिहरूले ब्याट्रीलाई पर्याप्त विकृति प्रदान गर्दै स्ट्याकको आकार परिवर्तन गर्न सक्छ। लचिलो ब्याट्रीले उत्कृष्ट साइकल स्थिरता र मेकानिकल स्थायित्व प्रदर्शन गर्दछ उपन्यास डिजाइनको लागि धन्यवाद र विभिन्न लचिलो र पहिरन योग्य इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरूमा व्यापक प्रयोग सम्भावनाहरू छन्।

साहित्य लिङ्क

बेन्डेबल/फोल्डेबल/स्ट्रेचेबल/ट्विस्टेबल ब्याट्रीका लागि मानव संयुक्त-प्रेरित संरचनात्मक डिजाइन: बहुविकृतित्व हासिल गर्दै। (ऊर्जा वातावरण। विज्ञान, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)