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Hong Kong CityU EES: Flexibler Lithium-Ionen-Akku, inspiriert von menschlichen Gelenken

15 Oktober, 2021

By hoppt

Forschungshintergrund

Die steigende Nachfrage nach elektronischen Produkten hat in den letzten Jahren die rasante Entwicklung von flexiblen und hochenergetischen Speichergeräten vorangetrieben. Flexible Lithium-Ionen-Akkus (LIBs) mit hoher Energiedichte und stabiler elektrochemischer Leistung gelten als die vielversprechendste Batterietechnologie für tragbare elektronische Produkte. Obwohl die Verwendung von Dünnfilmelektroden und Elektroden auf Polymerbasis die Flexibilität von LIBs dramatisch verbessert, gibt es die folgenden Probleme:

(1) Die meisten flexiblen Batterien sind durch "negative Elektrode-Separator-positive Elektrode" gestapelt, und ihre begrenzte Verformbarkeit und ihr Schlupf zwischen mehrschichtigen Stapeln schränken die Gesamtleistung von LIBs ein;

(2) Unter einigen strengeren Bedingungen, wie Falten, Dehnen, Wickeln und komplexer Verformung, kann die Batterieleistung nicht garantiert werden;

(3) Ein Teil der Entwurfsstrategie ignoriert die Verformung des Strommetallkollektors.

Daher steht das gleichzeitige Erreichen seines leichten Biegewinkels, mehrerer Verformungsmodi, überlegener mechanischer Haltbarkeit und hoher Energiedichte noch vor vielen Herausforderungen.

Einleitung

Kürzlich veröffentlichten Professor Chunyi Zhi und Dr. Cuiping Han von der City University of Hong Kong auf Energy Environ einen Artikel mit dem Titel „Human Joint Inspired Structural Design for Bendable/Foldable/Stretchable/Twistable Battery:reaching multiple deformability“. Wissenschaft. Diese Arbeit wurde von der Struktur menschlicher Gelenke inspiriert und entwarf eine Art flexible LIBs, die dem Gelenksystem ähneln. Basierend auf diesem neuartigen Design kann die vorbereitete, flexible Batterie eine hohe Energiedichte erreichen und um 180° gebogen oder sogar gefaltet werden. Gleichzeitig kann die strukturelle Struktur durch verschiedene Wickelverfahren verändert werden, so dass flexible LIBs reichhaltige Verformungsfähigkeiten aufweisen, auf stärkere und komplexere Verformungen (Wickeln und Verdrehen) angewendet werden können und sogar gedehnt werden können, und ihre Verformungsfähigkeiten sind weit über frühere Berichte von flexiblen LIBs hinaus. Die Finite-Elemente-Simulationsanalyse bestätigte, dass die in diesem Artikel entworfene Batterie keine irreversible plastische Verformung des aktuellen Metallkollektors unter verschiedenen harten und komplexen Verformungen erfahren würde. Gleichzeitig kann die zusammengebaute quadratische Batterie eine Energiedichte von bis zu 371.9 Wh/l erreichen, was 92.9 % der herkömmlichen Softpack-Batterie entspricht. Darüber hinaus kann es auch nach mehr als 200,000 dynamischer Biegung und 25,000 dynamischer Verformung eine stabile Zyklusleistung aufrechterhalten.

Weitere Untersuchungen zeigen, dass die zusammengesetzte zylindrische Einheitszelle stärkeren und komplexeren Verformungen standhalten kann. Nach mehr als 100,000 dynamischen Dehnungen, 20,000 Drehungen und 100,000 Biegeverformungen kann es immer noch eine hohe Kapazität von über 88 % erreichen – Retentionsrate. Daher bieten die in diesem Artikel vorgeschlagenen flexiblen LIBs eine enorme Aussicht auf praktische Anwendungen in der tragbaren Elektronik.

Forschungshighlights

1) Flexible LIBs, inspiriert von menschlichen Gelenken, können eine stabile Zyklusleistung unter Biege-, Verdrehungs-, Dehnungs- und Wicklungsverformungen aufrechterhalten;

(2) Mit einer quadratischen flexiblen Batterie kann eine Energiedichte von bis zu 371.9 Wh/L erreicht werden, was 92.9 % der herkömmlichen Softpack-Batterie entspricht;

(3) Unterschiedliche Wickelverfahren können die Form des Batteriestapels verändern und der Batterie eine ausreichende Verformbarkeit verleihen.

Grafische Anleitung

1. Design neuartiger bionischer flexibler LIBs

Untersuchungen haben gezeigt, dass neben der Sicherstellung einer hohen Volumenenergiedichte und einer komplexeren Verformung die strukturelle Gestaltung auch eine plastische Verformung des Stromkollektors vermeiden muss. Die Finite-Elemente-Simulation zeigt, dass die beste Methode des Stromkollektors darin bestehen sollte, zu verhindern, dass der Stromkollektor während des Biegevorgangs einen kleinen Biegeradius aufweist, um die plastische Verformung und irreversible Beschädigung des Stromkollektors zu vermeiden.

Abbildung 1a zeigt die Struktur der menschlichen Gelenke, bei denen das geschickt größere gekrümmte Oberflächendesign dazu beiträgt, dass sich die Gelenke reibungslos drehen. Darauf aufbauend zeigt Abbildung 1b eine typische Graphitanode/Diaphragma/Lithiumkobaltat(LCO)-Anode, die zu einer quadratischen dicken Stapelstruktur gewickelt werden kann. An der Verbindungsstelle besteht es aus zwei dicken starren Stapeln und einem flexiblen Teil. Noch wichtiger ist, dass der dicke Stapel eine gekrümmte Oberfläche hat, die der Gelenkknochenabdeckung entspricht, was dazu beiträgt, den Druck zu puffern und die Primärkapazität der flexiblen Batterie bereitzustellen. Der elastische Teil fungiert als Band, verbindet dicke Stapel und sorgt für Flexibilität (Abbildung 1c). Neben dem Wickeln zu einem quadratischen Stapel können Batterien mit zylindrischen oder dreieckigen Zellen auch durch eine Änderung des Wickelverfahrens hergestellt werden (Abbildung 1d). Bei flexiblen LIBs mit quadratischen Energiespeichereinheiten rollen die miteinander verbundenen Segmente während des Biegevorgangs entlang der bogenförmigen Oberfläche des dicken Stapels (Abbildung 1e), wodurch die Energiedichte der flexiblen Batterie erheblich erhöht wird. Darüber hinaus können flexible LIBs mit zylindrischen Einheiten durch elastische Polymerverkapselung dehnbare und flexible Eigenschaften erreichen (Abbildung 1f).

Abbildung 1 (a) Das Design der einzigartigen Bandverbindung und der gekrümmten Oberfläche ist wesentlich, um Flexibilität zu erreichen; (b) Schematisches Diagramm der flexiblen Batteriestruktur und des Herstellungsprozesses; (c) Knochen entspricht dickerem Elektrodenstapel und Band entspricht entrollten (D) Flexible Batteriestruktur mit zylindrischen und dreieckigen Zellen; (e) Schematisches Stapeldiagramm von quadratischen Zellen; (f) Streckdeformation zylindrischer Zellen.

2. Finite-Elemente-Simulationsanalyse

Die weitere Verwendung der mechanischen Simulationsanalyse bestätigte die Stabilität der flexiblen Batteriestruktur. Abbildung 2a zeigt die Spannungsverteilung von Kupfer- und Aluminiumfolie beim Biegen zu einem Zylinder (180° Radiant). Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannung von Kupfer- und Aluminiumfolie viel geringer ist als ihre Streckgrenze, was darauf hinweist, dass diese Verformung keine plastische Verformung verursacht. Der aktuelle Metallkollektor kann irreversible Schäden vermeiden.

Abbildung 2b zeigt die Spannungsverteilung, wenn der Biegegrad weiter erhöht wird und die Spannung von Kupferfolie und Aluminiumfolie ebenfalls geringer ist als ihre entsprechende Streckgrenze. Daher kann die Struktur einer Faltverformung widerstehen, während sie eine gute Haltbarkeit beibehält. Neben der Biegeverformung kann das System einen gewissen Verzug erreichen (Bild 2c).

Bei Batterien mit zylindrischen Einheiten kann aufgrund der inhärenten Eigenschaften des Kreises eine stärkere und komplexere Verformung erreicht werden. Wenn die Batterie daher auf 180o gefaltet (Abbildung 2d, e), auf etwa 140 % der ursprünglichen Länge gedehnt (Abbildung 2f) und auf 90o gedreht wird (Abbildung 2g), kann sie ihre mechanische Stabilität beibehalten. Wenn Biegen + Verdrehen und Wickelverformung separat angewendet werden, verursacht die entworfene LIBs-Struktur außerdem keine irreversible plastische Verformung des aktuellen Metallkollektors unter verschiedenen schweren und komplexen Verformungen.

Abbildung 2 (ac) Finite-Elemente-Simulationsergebnisse einer quadratischen Zelle unter Biegung, Faltung und Verdrehung; (di) Finite-Elemente-Simulationsergebnisse einer zylindrischen Zelle unter Biegung, Faltung, Dehnung, Verdrehung, Biegung + Verdrehung und Wicklung.

3. Elektrochemische Leistung flexibler LIBs der quadratischen Energiespeichereinheit

Um die elektrochemische Leistung der entworfenen flexiblen Batterie zu bewerten, wurde LiCoO2 als Kathodenmaterial verwendet, um die Entladekapazität und Zyklenstabilität zu testen. Wie in Abbildung 3a gezeigt, wird die Entladekapazität der Batterie mit quadratischen Zellen nicht wesentlich verringert, nachdem die Ebene bei einer Vergrößerung von 1 C gebogen, ringförmig, gefaltet und verdreht wurde, was bedeutet, dass die mechanische Verformung nicht das Design von verursacht Die flexible Batterie soll elektrochemisch an Leistung einbrechen. Selbst nach dynamischer Biegung (Abbildung 3c, d) und dynamischer Torsion (Abbildung 3e, f) und nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen haben die Lade- und Entladeplattform und die Langzeitleistung keine offensichtlichen Änderungen, was bedeutet, dass die interne Struktur von Der Akku ist gut geschützt.

Abbildung 3 (a) Lade- und Entladetest einer quadratischen Batterie unter 1C; (b) Lade- und Entladekurve unter verschiedenen Bedingungen; (c, d) unter dynamischer Biegung, Batteriezyklusleistung und entsprechende Lade- und Entladekurve; (e, f) Unter dynamischer Torsion, die Zyklenleistung der Batterie und die entsprechende Lade-Entlade-Kurve unter verschiedenen Zyklen.

4. Elektrochemische Leistung von flexiblen LIBs der zylindrischen Energiespeichereinheit

Die Ergebnisse der Simulationsanalyse zeigen, dass die flexiblen LIBs mit zylindrischen Elementen dank der inhärenten Eigenschaften des Kreises extremeren und komplexeren Verformungen standhalten können. Um die elektrochemische Leistung der flexiblen LIBs der zylindrischen Einheit zu demonstrieren, wurde der Test daher bei einer Rate von 1 C durchgeführt, was zeigte, dass es fast keine Änderung der elektrochemischen Leistung gibt, wenn die Batterie verschiedenen Verformungen ausgesetzt ist. Die Verformung führt nicht zu einer Änderung der Spannungskurve (Abbildung 4a, b).

Um die elektrochemische Stabilität und mechanische Haltbarkeit der zylindrischen Batterie weiter zu bewerten, wurde die Batterie einem dynamischen automatisierten Belastungstest mit einer Rate von 1 C unterzogen. Die Forschung zeigt, dass nach dynamischer Dehnung (Abbildung 4c, d), dynamischer Torsion (Abbildung 4e, f) , und dynamische Biegung + Torsion (Abbildung 4g, h) werden die Lade-Entlade-Zyklusleistung der Batterie und der entsprechende Spannungsverlauf nicht beeinflusst. Abbildung 4i zeigt die Leistung einer Batterie mit farbigem Energiespeicher. Die Entladekapazität fällt von 133.3 mAm g-1 auf 129.9 mAh g-1 ab, und der Kapazitätsverlust pro Zyklus beträgt nur 0.04 %, was darauf hindeutet, dass eine Verformung die Zyklenstabilität und Entladekapazität nicht beeinträchtigt.

Abbildung 4 (a) Lade- und Entladezyklustest verschiedener Konfigurationen zylindrischer Zellen bei 1 C; (b) Entsprechende Lade- und Entladekurven der Batterie unter verschiedenen Bedingungen; (c, d) Zyklenverhalten und Ladung der Batterie unter dynamischer Spannung Entladekurve; (e, f) die Zyklenleistung der Batterie unter dynamischer Torsion und die entsprechende Lade-Entlade-Kurve bei verschiedenen Zyklen; (g, h) die Zyklenleistung der Batterie unter dynamischer Biegung + Torsion und die entsprechende Lade-Entlade-Kurve bei verschiedenen Zyklen; (I) Lade- und Entladetest von prismatischen Einheitsbatterien mit unterschiedlichen Konfigurationen bei 1 C.

5. Anwendung flexibler und tragbarer elektronischer Produkte

Um die Anwendung der entwickelten flexiblen Batterie in der Praxis zu evaluieren, verwendet der Autor Vollbatterien mit verschiedenen Arten von Energiespeichereinheiten, um einige kommerzielle elektronische Produkte wie Kopfhörer, Smartwatches, Mini-Elektroventilatoren, Kosmetikinstrumente und Smartphones mit Strom zu versorgen. Beide sind für den täglichen Gebrauch ausreichend, verkörpern das Anwendungspotential verschiedener flexibler und tragbarer Elektronikprodukte voll und ganz.

Abbildung 5 wendet die entworfene Batterie auf Kopfhörer, Smartwatches, Mini-Elektroventilatoren, Kosmetikgeräte und Smartphones an. Die flexible Batterie liefert Strom für (a) Kopfhörer, (b) Smartwatches und (c) Mini-Elektroventilatoren; (d) liefert Strom für kosmetische Geräte; (e) Unter verschiedenen Verformungsbedingungen liefert die flexible Batterie Energie für Smartphones.

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieser Artikel von der Struktur menschlicher Gelenke inspiriert ist. Es schlägt ein einzigartiges Designverfahren zur Herstellung einer flexiblen Batterie mit hoher Energiedichte, mehrfacher Verformbarkeit und Haltbarkeit vor. Im Vergleich zu herkömmlichen flexiblen LIBs kann dieses neue Design die plastische Verformung des Stromkollektors aus Metall effektiv vermeiden. Gleichzeitig können die an beiden Enden der in diesem Artikel entworfenen Energiespeichereinheit reservierten gekrümmten Oberflächen die lokale Spannung der miteinander verbundenen Komponenten effektiv entlasten. Darüber hinaus können unterschiedliche Wickelverfahren die Form des Stapels verändern und der Batterie eine ausreichende Verformbarkeit verleihen. Die flexible Batterie weist dank des neuartigen Designs eine hervorragende Zyklenfestigkeit und mechanische Haltbarkeit auf und hat umfangreiche Anwendungsperspektiven in verschiedenen flexiblen und tragbaren elektronischen Produkten.

Link zur Literatur

Von menschlichen Gelenken inspiriertes Strukturdesign für biegbare/faltbare/dehnbare/drehbare Batterien: Erzielen einer mehrfachen Verformbarkeit. (Energieumwelt Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)

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