Hong Kong CityU EES: باتری لیتیوم یون انعطاف پذیر با الهام از مفاصل انسان

پیشینه تحقیق

تقاضای فزاینده برای محصولات الکترونیکی باعث توسعه سریع دستگاه های ذخیره سازی انعطاف پذیر و با چگالی انرژی بالا در سال های اخیر شده است. باتری های لیتیوم یون انعطاف پذیر (LIB) با چگالی انرژی بالا و عملکرد الکتروشیمیایی پایدار، امیدوارکننده‌ترین فناوری باتری برای محصولات الکترونیکی پوشیدنی در نظر گرفته می‌شوند. اگرچه استفاده از الکترودهای لایه نازک و الکترودهای مبتنی بر پلیمر به طور چشمگیری انعطاف پذیری LIB ها را بهبود می بخشد، اما مشکلات زیر وجود دارد:

(1) بیشتر باتری‌های انعطاف‌پذیر توسط "الکترود مثبت جداکننده الکترود منفی" روی هم قرار می‌گیرند و تغییر شکل‌پذیری محدود و لغزش آنها بین پشته‌های چندلایه عملکرد کلی LIB‌ها را محدود می‌کند.

(2) تحت برخی شرایط شدیدتر، مانند تا شدن، کشش، سیم پیچی، و تغییر شکل پیچیده، نمی تواند عملکرد باتری را تضمین کند.

(3) بخشی از استراتژی طراحی تغییر شکل کلکتور فلزی فعلی را نادیده می گیرد.

بنابراین، دستیابی همزمان به زاویه خمشی جزئی، حالت‌های تغییر شکل چندگانه، دوام مکانیکی برتر و چگالی انرژی بالا همچنان با چالش‌های زیادی مواجه است.

معرفی

اخیراً، پروفسور Chunyi Zhi و دکتر Cuiping Han از دانشگاه شهر هنگ‌کنگ مقاله‌ای با عنوان «طراحی ساختاری الهام‌گرفته از مفصل انسانی برای باتری خم‌شونده/تاشدنی/کشش‌پذیر/چرخش: دستیابی به تغییر شکل‌پذیری چندگانه» در محیط انرژی منتشر کردند. علمی این اثر از ساختار مفاصل انسان الهام گرفته شده و نوعی LIB های انعطاف پذیر شبیه به سیستم مفصلی طراحی شده است. بر اساس این طراحی جدید، باتری آماده و انعطاف پذیر می تواند چگالی انرژی بالایی داشته باشد و در 180 درجه خم شود یا حتی تا شود. در عین حال، ساختار سازه را می توان با روش های مختلف سیم پیچی تغییر داد، به طوری که LIB های انعطاف پذیر دارای قابلیت تغییر شکل غنی، قابل اعمال در تغییر شکل های شدیدتر و پیچیده تر (پیچ و پیچ) و حتی قابل کشش هستند و قابلیت تغییر شکل آنها نیز می باشد. بسیار فراتر از گزارش های قبلی از LIB های انعطاف پذیر. تجزیه و تحلیل شبیه سازی المان محدود تایید کرد که باتری طراحی شده در این مقاله تحت تغییر شکل های مختلف سخت و پیچیده دچار تغییر شکل پلاستیک غیرقابل برگشت کلکتور فلزی فعلی نمی شود. در عین حال، باتری واحد مربعی مونتاژ شده می تواند به چگالی انرژی تا 371.9 Wh/L دست یابد که 92.9 درصد باتری بسته نرم سنتی است. علاوه بر این، می تواند عملکرد چرخه پایدار را حتی پس از بیش از 200,000 بار خمش دینامیکی و 25,000 بار اعوجاج دینامیکی حفظ کند.

تحقیقات بیشتر نشان می دهد که سلول واحد استوانه ای مونتاژ شده می تواند تغییر شکل های شدیدتر و پیچیده تری را تحمل کند. پس از بیش از 100,000 کشش دینامیکی، 20,000 پیچش و 100,000 تغییر شکل خمشی، همچنان می‌تواند به ظرفیت بالای بیش از 88% - نرخ نگهداری دست یابد. بنابراین، LIB های منعطف پیشنهاد شده در این مقاله چشم انداز عظیمی را برای کاربردهای عملی در الکترونیک پوشیدنی فراهم می کند.

برجسته تحقیق

1) LIB های انعطاف پذیر، با الهام از مفاصل انسان، می توانند عملکرد چرخه پایدار را تحت تغییر شکل های خمش، پیچش، کشش، و سیم پیچ حفظ کنند.

(2) با یک باتری انعطاف پذیر مربعی، می تواند به چگالی انرژی تا 371.9 Wh/L دست یابد، که 92.9٪ از باتری سنتی بسته نرم است.

(3) روش های مختلف سیم پیچی می تواند شکل پشته باتری را تغییر دهد و به باتری تغییر شکل کافی بدهد.

راهنمای گرافیکی

تحقیقات نشان داده است که علاوه بر تضمین چگالی انرژی با حجم بالا و تغییر شکل پیچیده تر، طراحی سازه باید از تغییر شکل پلاستیکی کلکتور جریان نیز جلوگیری کند. شبیه‌سازی اجزای محدود نشان می‌دهد که بهترین روش کلکتور جریان باید جلوگیری از شعاع خمشی کوچک کلکتور جریان در طول فرآیند خمش باشد تا از تغییر شکل پلاستیک و آسیب غیرقابل برگشت کلکتور جریان جلوگیری شود.

شکل 1a ساختار مفاصل انسان را نشان می دهد که در آن طراحی سطح منحنی بزرگتر به طور هوشمندانه به چرخش هموار مفاصل کمک می کند. بر این اساس، شکل 1b یک آند گرافیتی معمولی آند/دیافراگم/لیتیوم کبالتات (LCO) را نشان می دهد که می تواند به یک ساختار پشته ضخیم مربعی پیچیده شود. در محل اتصال، از دو پشته سفت و سخت ضخیم و یک قسمت انعطاف پذیر تشکیل شده است. مهمتر از آن، پشته ضخیم دارای یک سطح منحنی معادل پوشش استخوان مفصل است که به فشار بافر کمک می کند و ظرفیت اولیه باتری انعطاف پذیر را فراهم می کند. قسمت الاستیک به عنوان یک رباط عمل می کند، پشته های ضخیم را به هم متصل می کند و انعطاف پذیری را فراهم می کند (شکل 1c). علاوه بر سیم پیچی در یک شمع مربع، باتری هایی با سلول های استوانه ای یا مثلثی نیز می توانند با تغییر روش سیم پیچی تولید شوند (شکل 1d). برای LIB های انعطاف پذیر با واحدهای ذخیره انرژی مربعی، بخش های به هم پیوسته در طول فرآیند خمش در امتداد سطح قوس شکل پشته ضخیم می چرخند (شکل 1e) و در نتیجه چگالی انرژی باتری انعطاف پذیر را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. علاوه بر این، از طریق کپسوله سازی پلیمری الاستیک، LIB های انعطاف پذیر با واحدهای استوانه ای می توانند به خواص کشش پذیر و انعطاف پذیر دست یابند (شکل 1f).

شکل 1 (الف) طراحی اتصال رباط منحصر به فرد و سطح منحنی برای دستیابی به انعطاف پذیری ضروری است. (ب) نمودار شماتیک ساختار باتری انعطاف پذیر و فرآیند ساخت؛ (ج) استخوان مربوط به پشته الکترود ضخیم‌تر است، و رباط مربوط به ساختار باتری انعطاف‌پذیر با سلول‌های استوانه‌ای و مثلثی است. (ه) نمودار شماتیک انباشته سلول های مربعی. (و) تغییر شکل کششی سلول های استوانه ای.

استفاده بیشتر از تحلیل شبیه‌سازی مکانیکی، پایداری ساختار باتری انعطاف‌پذیر را تایید کرد. شکل 2a توزیع تنش فویل مس و آلومینیوم را هنگام خم شدن به داخل یک سیلندر (180 درجه رادیان) نشان می دهد. نتایج نشان می دهد که تنش فویل مس و آلومینیوم بسیار کمتر از استحکام تسلیم آنها است که نشان می دهد این تغییر شکل باعث تغییر شکل پلاستیک نمی شود. کلکتور فلزی فعلی می تواند از آسیب غیر قابل برگشت جلوگیری کند.

شکل 2b توزیع تنش را هنگامی که درجه خمش بیشتر می شود نشان می دهد و تنش ورق مس و ورق آلومینیوم نیز کمتر از استحکام تسلیم متناظر آنها است. بنابراین، ساختار می تواند در عین حفظ دوام خوب، در برابر تغییر شکل تاشو مقاومت کند. علاوه بر تغییر شکل خمشی، سیستم می تواند به درجه خاصی از اعوجاج دست یابد (شکل 2c).

برای باتری‌های با واحدهای استوانه‌ای، به دلیل ویژگی‌های ذاتی دایره، می‌توان به تغییر شکل شدیدتر و پیچیده‌تری دست یافت. بنابراین، هنگامی که باتری تا 180 درجه (شکل 2d، e)، تا حدود 140٪ طول اصلی (شکل 2f) کشیده شده و تا 90 درجه (شکل 2g) پیچ خورده باشد، می تواند پایداری مکانیکی را حفظ کند. علاوه بر این، هنگامی که تغییر شکل خمش + پیچ و تاب و سیم پیچ به طور جداگانه اعمال می شود، ساختار LIBs طراحی شده باعث تغییر شکل پلاستیک غیرقابل برگشت کلکتور فلزی فعلی تحت تغییر شکل های مختلف شدید و پیچیده نمی شود.

شکل 2 (ac) نتایج شبیه‌سازی المان محدود یک سلول مربعی تحت خمش، تا شدن، و پیچش. (د) نتایج شبیه سازی المان محدود یک سلول استوانه ای تحت خمش، تاشو، کشش، پیچش، خمش + پیچش و سیم پیچی.

برای ارزیابی عملکرد الکتروشیمیایی باتری قابل انعطاف طراحی شده، LiCoO2 به عنوان ماده کاتد برای آزمایش ظرفیت تخلیه و پایداری چرخه استفاده شد. همانطور که در شکل 3a نشان داده شده است، ظرفیت تخلیه باتری با سلول های مربعی به طور قابل توجهی کاهش نمی یابد پس از تغییر شکل صفحه به خم شدن، حلقه زدن، تا شدن، و پیچش در بزرگنمایی 1 C، به این معنی که تغییر شکل مکانیکی باعث طراحی طراحی نمی شود. باتری انعطاف پذیر به صورت الکتروشیمیایی عملکرد افت می کند. حتی پس از خمش دینامیکی (شکل 3c, d) و پیچش دینامیکی (شکل 3e, f) و پس از تعداد معینی از چرخه ها، سکوی شارژ و دشارژ و عملکرد چرخه طولانی هیچ تغییر ظاهری ندارند، به این معنی که ساختار داخلی باتری به خوبی محافظت می شود

شکل 3 (الف) تست شارژ و دشارژ باتری واحد مربعی زیر 1C. (ب) منحنی شارژ و تخلیه تحت شرایط مختلف. (ج، د) تحت خمش پویا، عملکرد چرخه باتری و منحنی شارژ و دشارژ مربوطه. (ه، و) تحت پیچش دینامیکی، عملکرد چرخه باتری و منحنی شارژ-دشارژ مربوطه در سیکل‌های مختلف.

نتایج تحلیل شبیه‌سازی نشان می‌دهد که به لطف ویژگی‌های ذاتی دایره، LIB‌های انعطاف‌پذیر با عناصر استوانه‌ای می‌توانند تغییر شکل‌های شدیدتر و پیچیده‌تری را تحمل کنند. بنابراین، برای نشان دادن عملکرد الکتروشیمیایی LIB های انعطاف پذیر واحد استوانه ای، آزمایش با سرعت 1 درجه سانتیگراد انجام شد که نشان داد زمانی که باتری دچار تغییر شکل های مختلف می شود، تقریباً هیچ تغییری در عملکرد الکتروشیمیایی ایجاد نمی شود. تغییر شکل باعث تغییر منحنی ولتاژ نمی شود (شکل 4 a, b).

برای ارزیابی بیشتر پایداری الکتروشیمیایی و دوام مکانیکی باتری استوانه‌ای، باتری را تحت آزمایش بار خودکار دینامیکی با سرعت 1 درجه سانتی گراد قرار داد. تحقیقات نشان می‌دهد که پس از کشش دینامیکی (شکل 4c, d)، پیچش دینامیکی (شکل 4e, f) و خمش پویا + پیچش (شکل 4g، h)، عملکرد چرخه شارژ-تخلیه باتری و منحنی ولتاژ مربوطه تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. شکل 4i عملکرد یک باتری با واحد ذخیره انرژی رنگارنگ را نشان می دهد. ظرفیت تخلیه از 133.3 mAm g-1 به 129.9 mAh در g-1 کاهش می یابد، و افت ظرفیت در هر چرخه تنها 0.04٪ است که نشان می دهد تغییر شکل بر پایداری چرخه و ظرفیت تخلیه آن تأثیر نمی گذارد.

شکل 4 (الف) آزمایش چرخه شارژ و تخلیه پیکربندی های مختلف سلول های استوانه ای در دمای 1 درجه سانتیگراد. (ب) منحنی های شارژ و دشارژ مربوط به باتری در شرایط مختلف. (ج، د) عملکرد چرخه و شارژ باتری تحت کشش دینامیکی منحنی تخلیه. (ه، و) عملکرد چرخه باتری تحت پیچش دینامیکی و منحنی شارژ-دشارژ مربوطه در چرخه‌های مختلف. (g, h) عملکرد چرخه باتری تحت خمش دینامیکی + پیچش و منحنی شارژ- تخلیه مربوطه در چرخه های مختلف. (I) تست شارژ و دشارژ باتری های واحد منشوری با پیکربندی های مختلف در دمای 1 درجه سانتی گراد.

برای ارزیابی کاربرد باتری انعطاف‌پذیر توسعه‌یافته در عمل، نویسنده از باتری‌های کامل با انواع مختلف واحدهای ذخیره‌سازی انرژی برای تامین انرژی برخی از محصولات الکترونیکی تجاری مانند گوشی‌ها، ساعت‌های هوشمند، مینی فن‌های الکتریکی، ابزارهای آرایشی و تلفن‌های هوشمند استفاده می‌کند. هر دو برای استفاده روزمره کافی هستند، به طور کامل پتانسیل کاربردی محصولات مختلف الکترونیکی انعطاف پذیر و پوشیدنی را در بر می گیرند.

شکل 5 باتری طراحی شده را برای هدفون ها، ساعت های هوشمند، مینی فن های برقی، تجهیزات آرایشی و بهداشتی و گوشی های هوشمند اعمال می کند. باتری انعطاف پذیر انرژی (الف) هدفون، (ب) ساعت هوشمند، و (ج) پنکه برقی کوچک را تامین می کند. (د) برق تجهیزات آرایشی و بهداشتی را تامین می کند. (ه) در شرایط تغییر شکل مختلف، باتری انعطاف پذیر برق گوشی های هوشمند را تامین می کند.

خلاصه و چشم انداز

به طور خلاصه، این مقاله از ساختار مفاصل انسان الهام گرفته شده است. این یک روش طراحی منحصر به فرد برای ساخت باتری انعطاف پذیر با چگالی انرژی بالا، تغییر شکل چندگانه و دوام پیشنهاد می کند. در مقایسه با LIB های انعطاف پذیر سنتی، این طراحی جدید می تواند به طور موثری از تغییر شکل پلاستیک کلکتور فلزی فعلی جلوگیری کند. در عین حال، سطوح منحنی رزرو شده در هر دو انتهای واحد ذخیره‌سازی انرژی طراحی‌شده در این مقاله می‌تواند به طور موثر استرس محلی اجزای به هم پیوسته را کاهش دهد. علاوه بر این، روش های مختلف سیم پیچی می تواند شکل پشته را تغییر دهد و به باتری قابلیت تغییر شکل کافی بدهد. باتری انعطاف پذیر به لطف طراحی جدید، پایداری چرخه و دوام مکانیکی عالی را نشان می دهد و چشم انداز کاربرد گسترده ای در محصولات مختلف الکترونیکی انعطاف پذیر و پوشیدنی دارد.

لینک ادبیات

طراحی ساختاری با الهام از اتصالات انسانی برای باتری خم شونده/تاشدنی/کشش پذیر/چرخش: دستیابی به تغییر شکل چندگانه. (محیط انرژی علمی، 2021، DOI: 10.1039/D1EE00480H)