By hoppt
A crescente dumanda di prudutti elettronichi hà prumuvutu u rapidu sviluppu di i dispositi di almacenamento flessibili è d'alta densità di energia in l'ultimi anni. Batterie flessibili di lithium ion (LIB) cù alta densità di energia è rendimentu elettrochimicu stabile sò cunsiderate a tecnulugia di bateria più promettente per i prudutti elettronici purtati. Ancu s'è l'usu di l'elettrodi di film sottile è l'elettrodi basati in polimeru migliurà dramaticamente a flessibilità di LIB, ci sò i seguenti prublemi:
(1) A maiò parte di e batterie flessibili sò impilate da "elettrodu negativu-separatore-elettrodu pusitivu", è a so deformabilità limitata è slippage trà stacks multilayer limitanu a prestazione generale di LIB;
(2) In certi cundizioni più severi, cum'è plegamentu, allungamentu, avvolgimentu è deformazione cumplessa, ùn pò micca guarantisci u rendiment di a bateria;
(3) Una parte di a strategia di cuncepimentu ignora a deformazione di u cullettore di metalli attuale.
Dunque, ghjunghje simultaneamente u so ligeru angolo di curvatura, i modi di deformazione multipli, a durabilità meccanica superiore è a densità d'energia elevata face sempre parechje sfide.
Recentemente, u prufessore Chunyi Zhi è u duttore Cuiping Han di l'Università di a Cità di Hong Kong hà publicatu un documentu intitulatu "Uman joint design structurel inspirated for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability" in Energy Environ. Sci. Stu travagliu hè stata inspirata da a struttura di l'articuli umani è hà designatu un tipu di LIB flexible simili à u sistema articular. Basatu annantu à stu disignu rumanzu, a batteria preparata è flessibile pò ottene una alta densità di energia è esse piegata o ancu piegata à 180 °. À u listessu tempu, a struttura strutturale pò esse cambiata attraversu diversi metudi di avvolgimentu in modu chì i LIB flessibili anu ricche capacità di deformazione, ponu esse appiicati à deformazioni più severi è cumplessi (avvolgimentu è torsione), è ponu ancu esse allungati, è e so capacità di deformazione sò assai oltre i rapporti precedenti di LIB flessibili. L'analisi di simulazione di elementi finiti hà cunfirmatu chì a batteria cuncepita in questu documentu ùn hà micca sottumessu a deformazione plastica irreversibile di u cullettore di metalli attuale sottu à diverse deformazioni duru è cumplessu. À u listessu tempu, a batteria di unità quadrata assemblata pò ottene una densità energetica di sin'à 371.9 Wh / L, chì hè 92.9% di a bateria tradiziunale di pacchettu molle. Inoltre, pò mantene un rendimentu di ciclu stabile ancu dopu più di 200,000 volte di curvatura dinamica è 25,000 volte di distorsioni dinamiche.
Ulteriori ricerche mostranu chì a cellula unità cilindrica assemblata pò sustene deformazioni più severi è cumplessi. Dopu più di 100,000 stretchings dinamichi, 20,000 torsioni, è 100,000 deformazioni di curvatura, pò ancu ottene una alta capacità di più di 88% - tassu di ritenzione. Dunque, i LIB flessibili pruposti in questu documentu furnisce una prospettiva massiva per l'applicazioni pratiche in l'elettronica wearable.
1) LIB flessibili, ispirati da e articulazioni umane, ponu mantene un rendimentu di ciclu stabile sottu deformazioni di curvatura, torsione, allungamentu è avvolgimentu;
(2) Cù una bateria flexible quadrata, pò ottene una densità d'energia finu à 371.9 Wh / L, chì hè 92.9% di a bateria tradiziunale soft-pack;
(3) Diversi metudi di avvolgimentu ponu cambià a forma di a pila di batterie è dà à a batteria una deformabilità sufficiente.
1. Disegnu di novu tipu di LIB flexible bionic
A ricerca hà dimustratu chì, in più di assicurà a densità di l'energia di u voluminu elevatu è a deformazione più cumplessa, u disignu strutturale deve ancu evità a deformazione plastica di u cullettore attuale. A simulazione di l'elementu finitu mostra chì u megliu metudu di u cullettore attuale deve esse di impedisce à u cullettore attuale di avè un picculu raghju di curvatura durante u prucessu di curvatura per evità a deformazione plastica è i danni irreversibili di u cullettore attuale.
A figura 1a mostra a struttura di l'articuli umani, in quale u disignu di a superficia curva più grande aiuta à e articulazioni à rotà liscia. Basatu annantu à questu, a Figura 1b mostra un anodu tipicu di grafite / diafragma / cobaltate di lithium (LCO), chì pò esse avvoltu in una struttura quadrata di pila grossa. À a junction, hè custituitu da dui stacks rigidi grossi è una parte flexible. A più impurtante, a pila grossa hà una superficia curva equivalente à a tappa di l'ossu di l'articulazione, chì aiuta à a pressione di tampone è furnisce a capacità primaria di a bateria flexible. A parte elastica agisce cum'è un ligamentu, cunghjuntendu stacks grossi è furnisce flessibilità (Figura 1c). In più di u ventu in una pila quadrata, e batterie cù celluli cilindrichi o triangulari ponu ancu esse fabricate cambiando u metudu di bobina (Figura 1d). Per i LIB flessibili cù unità di almacenamiento d'energia quadrate, i segmenti interconnessi rotulanu longu a superficia in forma d'arcu di a pila grossa durante u prucessu di curvatura (Figura 1e), aumentendu cusì significativamente a densità di energia di a batteria flessibile. Inoltre, attraversu l'incapsulazione di polimeru elasticu, i LIB flessibili cù unità cilindriche ponu ottene proprietà stretchable è flexible (Figura 1f).
Figura 1 (a) U disignu di cunnessione di ligamenti unica è superficia curva hè essenziale per ottene a flessibilità; (b) Schema schematicu di a struttura flessibile di a bateria è u prucessu di fabricazione; (c) l'ossu currisponde à stack di l'elettrodu più grossu, è u ligamentu currisponde à un rolled (D) Struttura di bateria flexible cù cellule cylindriques è triangulari; (e) Diagramma schematicu di stacking di cellule quadrate; (f) Stretching deformation of cells cylindrical.
2. Analisi di simulazione di elementi finiti
Ulteriore usu di l'analisi di simulazione meccanica hà cunfirmatu a stabilità di a struttura flessibile di a bateria. A Figura 2a mostra a distribuzione di tensione di u ramu è u fogliu d'aluminiu quandu si piega in un cilindru (180 ° radian). I risultati mostranu chì u stress di ramu è foglia d'aluminiu hè assai più bassu di a so forza di rendiment, chì indica chì sta deformazione ùn pruvucarà micca deformazione plastica. U cullettore di metalli attuale pò evità danni irreversibili.
A figura 2b mostra a distribuzione di tensione quandu u gradu di curvatura hè più aumentatu, è u stress di u fogliu di rame è di l'aluminiu hè ancu menu di a so forza di rendiment currispondente. Dunque, a struttura pò sustene a deformazione di plegamentu mantenendu una bona durabilità. In più di a deformazione di curvatura, u sistema pò ottene un certu gradu di distorsione (Figura 2c).
Per batterie cù unità cilindriche, per via di e caratteristiche inherenti di u circhiu, pò ottene una deformazione più severa è cumplessa. Dunque, quandu a bateria hè plegata à 180o (Figura 2d, e), allungata à circa 140% di a lunghezza originale (Figura 2f), è torciata à 90o (Figura 2g), pò mantene a stabilità meccanica. Inoltre, quandu a curvatura + torsione è a deformazione di l'avvolgimentu sò applicate per separatamente, a struttura di LIBs cuncepita ùn pruvucarà micca a deformazione plastica irreversibile di u cullettore di metalli attuale sottu diverse deformazioni severi è cumplessi.
Figura 2 (ac) I risultati di simulazione di elementi finiti di una cellula quadrata sottu curvatura, plegamentu è torsione; (di) I risultati di simulazione di elementi finiti di una cellula cilindrica sottu curvatura, piegatura, allungamentu, torsione, curvatura + torsione è avvolgimentu.
3. Prestazione elettrochimica di LIB flexible di l'unità di almacenamiento d'energia quadrata
Per valutà a prestazione elettrochimica di a batteria flessibile cuncepita, LiCoO2 hè stata utilizata cum'è materiale di catodu per pruvà a capacità di scaricamentu è a stabilità di u ciclu. Cum'è mostra in a Figura 3a, a capacità di scaricamentu di a bateria cù cellule quadrate ùn hè micca significativamente ridutta dopu chì l'aereo hè deformatu per piegà, anellu, plegatu è torcia à un ingrandimentu di 1 C, chì significa chì a deformazione meccanica ùn pruvucarà micca u disignu di a bateria flexible per esse electrochemically Performance gocce. Ancu dopu à a curvatura dinamica (Figura 3c, d) è a torsione dinamica (Figura 3e, f), è dopu à un certu nùmeru di cicli, a piattaforma di carica è scaricamentu è a prestazione di ciculu longu ùn anu micca cambiamenti apparenti, chì significa chì a struttura interna di a bateria hè ben prutetta.
Figura 3 (a) Test di carica è scaricamentu di a batteria di unità quadrata sottu 1C; (b) Curva di carica è scarica in diverse cundizioni; (c, d) Sottu a curvatura dinamica, u rendiment di u ciclu di a bateria è a curva di carica è scarica currispondente; (e, f) Sottu torsione dinamica, u ciculu di u ciculu di a bateria è a curva di carica-scarica currispundenti sottu diversi cicli.
4. Prestazione elettrochimica di LIB flessibili di l'unità di almacenamentu di energia cilindrica
I risultati di l'analisi di simulazione mostranu chì grazia à e caratteristiche inerenti di u circhiu, i LIB flessibili cù elementi cilindrichi ponu sustene deformazioni più estremi è cumplessi. Dunque, per dimustrà a prestazione elettrochimica di i LIB flessibili di l'unità cilindrica, a prova hè stata realizata à un ritmu di 1 C, chì hà dimustratu chì quandu a bateria subisce diverse deformazioni, ùn ci hè quasi nisun cambiamentu in u rendiment elettrochimicu. A deformazione ùn farà micca cambià a curva di tensione (Figura 4a, b).
Per evaluà ulteriormente a stabilità elettrochimica di a bateria cilindrica è a durabilità meccanica, hà sottumessu a bateria à una prova di carica dinamica autumàtica à una tarifa di 1 C. A ricerca mostra chì dopu l'allungamentu dinamicu (Figura 4c, d), torsione dinamica (Figura 4e, f) , è curvatura dinamica + torsione (Figura 4g, h), u rendimentu di u ciclu di carica di scaricamentu di a batteria è a curva di tensione currispondente ùn sò micca affettati. A figura 4i mostra u rendiment di una bateria cù una unità di almacenamento d'energia culurita. A capacità di scaricamentu decade da 133.3 mAm g-1 à 129.9 mAh g-1, è a perdita di capacità per ciculu hè solu 0.04%, chì indica chì a deformazione ùn avarà micca a so stabilità di u ciclu è a capacità di scaricamentu.
Figura 4 (a) Test di ciclu di carica è scaricamentu di diverse cunfigurazioni di cellule cilindriche à 1 C; (b) Curve di carica è scarica currispondente di a bateria in diverse cundizioni; (c, d) U rendiment di u ciclu è a carica di a bateria sottu tensione dinamica Curva di scaricamentu; (e, f) u rendiment di u ciclu di a bateria sottu torsione dinamica è a curva di carica-scarica currispondente sottu diversi cicli; (g, h) a prestazione di u ciclu di a batteria sottu curvatura dinamica + torsione è a curva di carica-scarica currispondente sottu diversi cicli; (I) Test di carica è scarica di batterie prismatiche cù cunfigurazioni diverse à 1 C.
5. Applicazione di prudutti elettronichi flessibili è wearable
Per valutà l'applicazione di a batteria flessibile sviluppata in a pratica, l'autore usa batterie piene cù diversi tipi di unità di almacenamento d'energia per alimentà alcuni prudutti elettronici cummirciali, cum'è cuffie, smartwatches, mini ventilatori elettrici, strumenti cosmetichi è telefoni intelligenti. Tutti dui sò abbastanza per l'usu di ogni ghjornu, incarnanu cumplettamente u potenziale di applicazione di diversi prudutti elettronici flessibili è purtati.
A Figura 5 applica a batteria cuncepita à l'auriculare, smartwatches, mini ventilatori elettrici, equipamentu cosmeticu è smartphones. A bateria flessibile furnisce l'energia per (a) cuffie, (b) smartwatches, è (c) mini ventilatori elettrici; (d) furnisce l'energia per l'equipaggiu cosmetichi; (e) in diverse cundizioni di deformazione, a bateria flessibile furnisce l'energia per i smartphones.
In sintesi, stu articulu hè inspiratu da a struttura di l'articuli umani. Propone un metudu di cuncepimentu unicu per a fabricazione di una batteria flessibile cù alta densità di energia, deformabilità multipla è durabilità. In cunfrontu cù i LIB flessibili tradiziunali, stu novu disignu pò evità efficacemente a deformazione plastica di u cullettore di metalli attuale. À u listessu tempu, e superfici curve riservate à e duie estremità di l'unità di almacenamiento d'energia cuncepita in questu documentu ponu alleviare in modu efficace u stress lucale di i cumpunenti interconnessi. Inoltre, diversi metudi di avvolgimentu ponu cambià a forma di a pila, dendu à a bateria una deformabilità sufficiente. A batteria flessibile mostra un'eccellente stabilità di u ciclu è una durabilità meccanica grazia à u novu disignu è hà ampie prospettive di applicazione in diversi prudutti elettronici flessibili è purtati.
Disegnu strutturale ispiratu à l'articulazione umana per a batteria pieghevole / pieghevole / estensibile / torsione: ottene una deformabilità multipla. (Energia Ambiente. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
rispondi in 6 ore, ogni dumanda hè benvenuta!
