Hong Kong CityU EES: giza artikulazioetan inspiratutako litio-ioizko bateria malgua

Ikerketaren aurrekariak

Produktu elektronikoen eskaera gero eta handiagoak azken urteotan biltegiratze-gailu malgu eta dentsitate handiko biltegiratze-gailuen garapen azkarra sustatu du. Litio-ioizko bateria malguak (LIB) energia-dentsitate handiko eta errendimendu elektrokimiko egonkorra duten bateria-teknologia itxaropentsuena jotzen da produktu elektroniko eramangarrietarako. Film meheko elektrodoen eta polimeroetan oinarritutako elektrodoen erabilerak LIBen malgutasuna nabarmen hobetzen badu ere, arazo hauek daude:

(1) Bateria malgu gehienak "elektrodo-bereizle-elektrodo positibo negatiboekin" pilatzen dira, eta haien deformazio mugatuak eta geruza anitzeko pilaren arteko irristatzeak LIBen errendimendu orokorra mugatzen dute;

(2) Baldintza larriago batzuetan, hala nola tolestura, luzapena, bihurriketa eta deformazio konplexuetan, ezin du bateriaren errendimendua bermatu;

(3) Diseinu estrategiaren zati batek egungo metal kolektorearen deformazioari jaramonik egiten ez dio.

Hori dela eta, bere tolestura angelu txikia, deformazio-modu anitz, iraunkortasun mekaniko handiagoa eta energia-dentsitate handia lortzeak erronka asko ditu oraindik.

Sarrera

Duela gutxi, Hong Kongeko City Unibertsitateko Chunyi Zhi irakasleak eta Cuiping Han doktoreak "Human joint inspired structurel design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability" izeneko lan bat argitaratu zuten Energy Environ-en. Zientzia. Lan hau giza artikulazioen egituran inspiratu zen eta artikulazio-sistemaren antzeko LIB malgu moduko bat diseinatu zuen. Diseinu berri honetan oinarrituta, prestatutako bateria malguak energia-dentsitate handia lor dezake eta 180°-tan tolestu edo tolestu daiteke. Aldi berean, egitura-egitura bihurriketa-metodo desberdinen bidez alda daiteke, LIB malguek deformazio-ahalmen aberatsak izan ditzaten, deformazio larri eta konplexuagoetan aplika daitezke (hazkurtu eta bihurritu), eta luzatu ere egin daitezke, eta haien deformazio-gaitasunak dira. LIB malguen aurreko txostenetatik haratago. Elementu finituen simulazio-analisiak baieztatu zuen lan honetan diseinatutako bateriak ez zuela egungo metal-kolektorearen deformazio plastiko itzulezina jasango hainbat deformazio gogor eta konplexuetan. Aldi berean, muntatutako unitate karratuko bateriak 371.9 Wh/L arteko energia-dentsitatea lor dezake, hau da, ohiko pakete bigunen bateriaren % 92.9. Horrez gain, zikloaren errendimendu egonkorra mantendu dezake 200,000 aldiz tolestura dinamikoa eta 25,000 aldiz distortsio dinamikoa izan ondoren ere.

Ikerketa gehiagok erakusten dute muntatutako zelula zilindrikoek deformazio larri eta konplexuagoak jasan ditzakeela. 100,000 luzatze dinamiko, 20,000 bira eta 100,000 tolestura-deformazio baino gehiagoren ondoren, % 88 baino gehiagoko ahalmen handia lor dezake oraindik - atxikipen-tasa. Hori dela eta, artikulu honetan proposatzen diren LIB malguek aukera izugarria eskaintzen dute elektronika eramangarrietan aplikazio praktikoetarako.

Ikerketaren puntu nagusiak

1) LIB malguak, giza artikulazioetan inspiratuta, zikloaren errendimendu egonkorra mantendu dezakete tolestu, bihurritu, luzatze eta bihurritu deformazioetan;

(2) Bateria karratu malgu batekin, 371.9 Wh/L arteko energia-dentsitatea lor dezake, hau da, ohiko pakete bigunen bateriaren % 92.9;

(3) Haize-metodo ezberdinek bateria-pilaren forma alda dezakete eta bateriari nahikoa deformazio eman diezaiokete.

Gida grafikoa

Ikerketek erakutsi dutenez, bolumen handiko energia-dentsitatea eta deformazio konplexuagoa bermatzeaz gain, egitura-diseinuak korronte kolektorearen deformazio plastikoa ere saihestu behar du. Elementu finituen simulazioak erakusten du korronte-kolektorearen metodorik onena izan behar dela korronte-kolektoreak okertze-erradio txiki bat izan ez dezan tolestu-prozesuan zehar, korronte-kolektorearen deformazio plastikoa eta kalte itzulezina ekiditeko.

1a irudiak giza artikulazioen egitura erakusten du, zeinean gainazal kurbatuen diseinuak giltzadurei leunki biratzen laguntzen die. Horretan oinarrituta, 1b irudiak grafito anodo/diafragma/litio kobaltato (LCO) anodo tipiko bat erakusten du, pila-egitura lodi karratu batean bihur daitekeena. Bilgunean, bi pila zurrun lodiz eta zati malgu batez osatuta dago. Are garrantzitsuagoa dena, pila lodiak hezur-estalkiaren pareko gainazal kurbatua du, eta horrek presioa babesten laguntzen du eta bateria malguaren ahalmen nagusia eskaintzen du. Zati elastikoak lotailu gisa jokatzen du, pila lodiak lotzen ditu eta malgutasuna ematen du (1c irudia). Pila karratu batean bihurtzeaz gain, zelula zilindrikoak edo triangeluarrak dituzten bateriak ere fabrika daitezke, harilkatzeko metodoa aldatuz (1d irudia). Energia biltegiratze-unitate karratudun LIB malguetarako, elkarri konektatutako segmentuak pila lodiaren arku-formako gainazalean zehar ibiliko dira toleste prozesuan zehar (1e irudia), eta horrela bateria malguaren energia-dentsitatea nabarmen handituz. Gainera, polimero elastikoen kapsulazioaren bidez, unitate zilindrikodun LIB malguek propietate luzagarriak eta malguak lor ditzakete (1f. irudia).

1. Irudia (a) Lotailu-konexio bakarraren eta gainazal kurbatuaren diseinua ezinbestekoa da malgutasuna lortzeko; (b) Baterien egitura malguaren eta fabrikazio-prozesuaren diagrama eskematikoa; (c) hezurra elektrodo-pila lodiagoari dagokio, eta lotailua desegiteari dagokio (D) Bateriaren egitura malgua zelula zilindriko eta triangeluarrekin; (e) Zelula karratuen eskema-diagrama pilatzea; (f) Zelula zilindrikoen luzatze-deformazioa.

Simulazio mekanikoaren azterketa gehiago erabiltzeak bateriaren egitura malguaren egonkortasuna baieztatu zuen. 2a irudiak kobrearen eta aluminio-paperaren tentsioaren banaketa erakusten du zilindro batean tolestuta (180° radian). Emaitzek erakusten dute kobrearen eta aluminio-paperen tentsioa haien ugalkortasun-indarra baino askoz txikiagoa dela, eta deformazio horrek ez duela deformazio plastikorik eragingo adierazten du. Gaur egungo metal biltzaileak kalte itzulezinak saihestu ditzake.

2b irudiak tentsioaren banaketa erakusten du tolestura-maila gehiago handitzen denean, eta kobre-paperaren eta aluminio-paperen tentsioa ere dagokien etekin-erresistentzia baino txikiagoa da. Hori dela eta, egiturak tolestura deformazioa jasan dezake iraunkortasun ona mantenduz. Tolestura-deformazioaz gain, sistemak distortsio-maila jakin bat lor dezake (2c irudia).

Unitate zilindrikoak dituzten piletarako, zirkuluaren berezko ezaugarriak direla eta, deformazio larri eta konplexuagoa lor dezake. Hori dela eta, bateria 180o-ra tolesten denean (2d, e irudia), jatorrizko luzeraren %140 ingurura luzatuta (2f irudia) eta 90o-ra bihurrituta (2g irudia), egonkortasun mekanikoa mantendu dezake. Horrez gain, tolestu + bihurritu eta bihurritu deformazioa bereizita aplikatzen direnean, diseinatutako LIB-en egiturak ez du egungo metal kolektorearen deformazio plastiko itzulezina eragingo hainbat deformazio larri eta konplexuetan.

2. irudia (ac) Elementu finituen simulazio-emaitzak tolestu, tolestu eta bihurritupeko gelaxka karratu baten ondorioz; (di) Zelula zilindriko baten elementu finituen simulazio-emaitzak tolestu, tolestu, luzatze, bihurritu, tolestu + bihurritu eta bihurrituz.

Diseinatutako bateria malguaren errendimendu elektrokimikoa ebaluatzeko, LiCoO2 erabili zen katodo-material gisa deskarga-ahalmena eta ziklo-egonkortasuna probatzeko. 3a irudian ikusten den bezala, zelula karratudun bateriaren deskarga-ahalmena ez da nabarmen murrizten hegazkina tolestu, eraztun, tolestu eta bihurritu ondoren 1 C-ko handipenarekin, eta horrek esan nahi du deformazio mekanikoak ez duela diseinua eragingo. bateria malgua elektrokimikoki errendimendua jaisten da. Tolestura dinamikoa (3c, d) eta tortsio dinamikoa (3e, f irudia) eta ziklo kopuru jakin baten ondoren ere, kargatzeko eta deskargatzeko plataformak eta ziklo luzeko errendimenduak ez dute itxurazko aldaketarik izan, eta horrek esan nahi du barne egiturak. bateria ondo babestuta dago.

3. irudia (a) 1C azpiko unitate karratuko bateriaren karga eta deskarga proba; (b) Karga- eta deskarga-kurba baldintza desberdinetan; (c, d) Tolestura dinamikoan, bateriaren zikloaren errendimendua eta dagokion karga eta deskarga kurba; (e, f) Torsio dinamikoan, bateriaren zikloaren errendimendua eta dagokion karga-deskarga kurba ziklo desberdinetan.

Simulazio-analisiaren emaitzek erakusten dute zirkuluaren berezko ezaugarriei esker elementu zilindrikodun LIB malguek deformazio muturreko eta konplexuagoak jasan ditzaketela. Hori dela eta, unitate zilindrikoko LIB malguen errendimendu elektrokimikoa frogatzeko, proba 1 C-ko abiaduran egin zen, eta horrek erakutsi zuen bateriak hainbat deformazio jasaten dituenean, errendimendu elektrokimikoan ia aldaketarik ez dagoela. Deformazioak ez du tentsio-kurba aldatzea eragingo (4a, b irudia).

Bateria zilindrikoaren egonkortasun elektrokimikoa eta iraunkortasun mekanikoa gehiago ebaluatzeko, bateria karga automatikoko proba dinamiko bat jasan zuen 1 C-ko abiaduran. Ikerketek erakusten dute luzatze dinamikoaren ondoren (4c, d irudiak), torsio dinamikoa (4e, f irudiak). , eta tolestura dinamikoa + tortsioa (4g, h irudia), bateriaren karga-deskarga zikloaren errendimendua eta dagokion tentsio kurba ez dira eragiten. 4i irudiak energia biltegiratzeko unitate koloretsu bat duen bateria baten errendimendua erakusten du. Deskarga-gaitasuna 133.3 mAm g-1-tik 129.9 mAh g-1-ra jaisten da, eta ziklo bakoitzeko gaitasun-galera % 0.04 baino ez da, eta horrek adierazten du deformazioak ez duela bere zikloaren egonkortasunean eta deskarga-gaitasunean eragingo.

4. irudia (a) 1 C-ko zelula zilindrikoen konfigurazio ezberdinen karga eta deskarga zikloaren proba; (b) Bateriaren karga- eta deskarga-kurbak baldintza desberdinetan; (c, d) Zikloaren errendimendua eta bateriaren karga tentsio dinamikoan Deskarga-kurba; (e, f) bateriaren ziklo-errendimendua torsio dinamikoan eta dagokion karga-deskarga kurba ziklo desberdinetan; (g, h) bateriaren ziklo-errendimendua tolestura + tortsio dinamikoan eta dagokion karga-deskarga kurba ziklo desberdinetan; (I) 1 C-tan konfigurazio desberdinak dituzten unitate prismatikoen baterien karga eta deskarga proba.

Garatutako bateria malguaren aplikazioa praktikan ebaluatzeko, egileak bateria osoak erabiltzen ditu energia biltegiratze-unitate mota ezberdinekin produktu elektroniko komertzial batzuk elikatzeko, hala nola entzungailuak, erloju adimentsuak, mini-haizagailu elektrikoak, tresna kosmetikoak eta telefono adimendunak. Biak nahikoak dira eguneroko erabilerarako, produktu elektroniko malgu eta eramangarri ezberdinen aplikazio potentziala erabat barneratzen dute.

5. irudiak diseinatutako bateria aurikularretara, erloju adimendunetan, haizagailu elektriko txikietan, ekipo kosmetikoetan eta telefono adimendunetan aplikatzen du. Bateria malguak (a) entzungailuetarako, (b) erloju adimendunetarako eta (c) haizagailu elektriko txikietarako hornitzen du; d) kosmetika-ekipoetarako energia hornitzen du; (e) deformazio-baldintza desberdinetan, bateria malguak telefono mugikorrei energia hornitzen die.

Laburpena eta aurreikuspenak

Laburbilduz, artikulu hau giza artikulazioen egituran inspiratuta dago. Diseinu-metodo paregabea proposatzen du bateria malgu bat fabrikatzeko, energia-dentsitate handiko, deformagarritasun anitz eta iraunkortasunarekin. LIB malgu tradizionalekin alderatuta, diseinu berri honek eraginkortasunez saihestu dezake egungo metal kolektorearen deformazio plastikoa. Aldi berean, dokumentu honetan diseinatutako energia biltegiratzeko unitatearen bi muturretan gordetako gainazal kurbatuek elkarrekin konektatutako osagaien tokiko tentsioa eraginkortasunez arin dezakete. Horrez gain, bihurriketa metodo ezberdinek pilaren forma alda dezakete, bateriari deformazio nahikoa emanez. Bateria malguak ziklo-egonkortasun bikaina eta iraunkortasun mekanikoa erakusten ditu diseinu berriari esker eta aplikazio aukera zabalak ditu hainbat produktu elektroniko malgu eta eramangarritan.

Literatura lotura

Giza giltzaduretan inspiratutako egitura-diseinua tolesgarri/tolesgarri/luzagarri/bihurritzeko bateriarako: deformagarritasun anitz lortzea. (Energia Ingurumena. Zientzia., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)