Hong Kong CityU EES: მოქნილი ლითიუმ-იონური ბატარეა შთაგონებული ადამიანის სახსრებით

კვლევის ფონი

ელექტრონულ პროდუქტებზე მზარდმა მოთხოვნამ ხელი შეუწყო მოქნილი და მაღალი ენერგიის სიმკვრივის შესანახი მოწყობილობების სწრაფ განვითარებას ბოლო წლებში. მოქნილი ლითიუმის იონური ბატარეები (LIBs) მაღალი ენერგიის სიმკვრივით და სტაბილური ელექტროქიმიური მაჩვენებლებით ითვლება ყველაზე პერსპექტიული ბატარეის ტექნოლოგიად ჩასაცმელი ელექტრონული პროდუქტებისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ თხელი ფირის ელექტროდების და პოლიმერებზე დაფუძნებული ელექტროდების გამოყენება მკვეთრად აუმჯობესებს LIB-ების მოქნილობას, არსებობს შემდეგი პრობლემები:

(1) მოქნილი ბატარეების უმეტესობა დაწყობილია "ნეგატიური ელექტროდის გამყოფი დადებითი ელექტროდით" და მათი შეზღუდული დეფორმირება და მრავალშრიანი დასტას შორის ცურვა ზღუდავს LIB-ების საერთო მუშაობას;

(2) უფრო მძიმე პირობებში, როგორიცაა დაკეცვა, გაჭიმვა, დახვევა და რთული დეფორმაცია, ის არ იძლევა ბატარეის მუშაობის გარანტიას;

(3) დიზაინის სტრატეგიის ნაწილი უგულებელყოფს მიმდინარე ლითონის კოლექტორის დეფორმაციას.

ამიტომ, მისი მცირე მოხრის კუთხის, მრავალჯერადი დეფორმაციის რეჟიმის, უმაღლესი მექანიკური გამძლეობისა და მაღალი ენერგიის სიმკვრივის ერთდროულად მიღწევა კვლავ მრავალი გამოწვევის წინაშე დგას.

შესავალი

ცოტა ხნის წინ, პროფესორმა ჩუნი ჟიმ და დოქტორმა კუპინგ ჰანმა ჰონგ კონგის საქალაქო უნივერსიტეტიდან გამოაქვეყნეს ნაშრომი სათაურით "ადამიანის ერთობლივი შთაგონებული სტრუქტურული დიზაინი მოსახვევი/დასაკეცი/გაჭიმვადი/მოგრეხილი ბატარეისთვის: მრავალჯერადი დეფორმაციის მიღწევა" Energy Environ-ზე. მეცნიერება. ეს ნამუშევარი შთაგონებული იყო ადამიანის სახსრების სტრუქტურით და შეიქმნა ერთგვარი მოქნილი LIBs მსგავსი სახსრების სისტემისა. ამ ახალი დიზაინის საფუძველზე, მომზადებულ, მოქნილ ბატარეას შეუძლია მიაღწიოს ენერგიის მაღალ სიმკვრივეს და მოხრილი ან თუნდაც იკეცოს 180°-ზე. ამავდროულად, სტრუქტურული სტრუქტურა შეიძლება შეიცვალოს სხვადასხვა გრაგნილი მეთოდით ისე, რომ მოქნილ LIB-ებს ჰქონდეს დეფორმაციის მდიდარი შესაძლებლობები, შეიძლება გამოყენებულ იქნას უფრო მძიმე და რთულ დეფორმაციებზე (დახვევა და გადახვევა) და შეიძლება დაჭიმულიც კი იყოს და მათი დეფორმაციის შესაძლებლობები არის ბევრად აღემატება მოქნილი LIB-ების წინა მოხსენებებს. სასრული ელემენტების სიმულაციური ანალიზმა დაადასტურა, რომ ამ ნაშრომში შემუშავებული ბატარეა არ განიცდის მიმდინარე ლითონის კოლექტორის შეუქცევად პლასტმასის დეფორმაციას სხვადასხვა მკაცრი და რთული დეფორმაციების დროს. ამავდროულად, აწყობილი კვადრატული ერთეულის ბატარეას შეუძლია მიაღწიოს ენერგიის სიმკვრივეს 371.9 Wh/L-მდე, რაც არის ტრადიციული რბილი პაკეტის ბატარეის 92.9%. გარდა ამისა, მას შეუძლია შეინარჩუნოს სტაბილური ციკლის შესრულება 200,000-ჯერ მეტი დინამიური მოხრისა და 25,000-ჯერ დინამიური დამახინჯების შემდეგაც კი.

შემდგომი კვლევა აჩვენებს, რომ აწყობილი ცილინდრული ერთეული უჯრედი უძლებს უფრო მძიმე და რთულ დეფორმაციებს. 100,000-ზე მეტი დინამიური გაჭიმვის, 20,000 გადახვევისა და 100,000 მოხრის დეფორმაციის შემდეგ, მას მაინც შეუძლია მიაღწიოს 88%-ზე მეტ სიმძლავრეს - შეკავების სიჩქარე. მაშასადამე, ამ ნაშრომში შემოთავაზებული მოქნილი LIB-ები იძლევა უზარმაზარ პერსპექტივას პრაქტიკული გამოყენებისთვის აცვიათ ელექტრონიკაში.

კვლევის მიმოხილვა

1) მოქნილი LIB-ები, შთაგონებული ადამიანის სახსრებით, შეუძლიათ შეინარჩუნონ სტაბილური ციკლის შესრულება მოხრის, გადახვევის, დაჭიმვის და დახვევის დეფორმაციების დროს;

(2) კვადრატული მოქნილი ბატარეით, მას შეუძლია მიაღწიოს ენერგიის სიმკვრივეს 371.9 Wh/L-მდე, რაც წარმოადგენს ტრადიციული რბილი პაკეტის ბატარეის 92.9%-ს;

(3) გრაგნილების სხვადასხვა მეთოდს შეუძლია შეცვალოს ბატარეის წყობის ფორმა და მისცეს ბატარეას საკმარისი დეფორმირება.

გრაფიკული სახელმძღვანელო

კვლევამ აჩვენა, რომ მაღალი მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივისა და უფრო რთული დეფორმაციის უზრუნველყოფის გარდა, სტრუქტურულმა დიზაინმა ასევე უნდა თავიდან აიცილოს მიმდინარე კოლექტორის პლასტიკური დეფორმაცია. სასრული ელემენტების სიმულაცია გვიჩვენებს, რომ დენის კოლექტორის საუკეთესო მეთოდი უნდა იყოს ის, რომ თავიდან აიცილოს დენის კოლექტორს მცირე მოხრის რადიუსი მოხრის პროცესის დროს, რათა თავიდან იქნას აცილებული დენის კოლექტორის პლასტიკური დეფორმაცია და შეუქცევადი დაზიანება.

სურათი 1a გვიჩვენებს ადამიანის სახსრების სტრუქტურას, რომელშიც ჭკვიანურად უფრო დიდი მოხრილი ზედაპირის დიზაინი ეხმარება სახსრებს შეუფერხებლად ბრუნაში. ამის საფუძველზე, სურათი 1b გვიჩვენებს ტიპიური გრაფიტის ანოდის/დიაფრაგმის/ლითიუმის კობალტატის (LCO) ანოდს, რომელიც შეიძლება დაიჭრას კვადრატულ სქელ დასტაში. გზაჯვარედინზე, იგი შედგება ორი სქელი ხისტი წყობისა და მოქნილი ნაწილისგან. რაც მთავარია, სქელ დასტას აქვს მოსახვევი ზედაპირი, რომელიც ექვივალენტურია სახსრების ძვლის საფარით, რაც ხელს უწყობს ბუფერულ წნევას და უზრუნველყოფს მოქნილი ბატარეის პირველად სიმძლავრეს. ელასტიური ნაწილი მოქმედებს როგორც ლიგატი, აკავშირებს სქელ დასტას და უზრუნველყოფს მოქნილობას (სურათი 1c). გარდა კვადრატულ წყობაში დახვევისა, ცილინდრული ან სამკუთხა უჯრედების მქონე ბატარეების დამზადება შესაძლებელია გრაგნილის მეთოდის შეცვლით (სურათი 1დ). მოქნილი LIB-ებისთვის კვადრატული ენერგიის შესანახი ერთეულებით, ურთიერთდაკავშირებული სეგმენტები გადახვევის პროცესის დროს სქელი წყობის რკალისებური ზედაპირის გასწვრივ (სურათი 1e), რითაც მნიშვნელოვნად გაზრდის მოქნილი ბატარეის ენერგიის სიმკვრივეს. გარდა ამისა, ელასტიური პოლიმერული კაფსულაციით, მოქნილ LIB-ებს ცილინდრული ერთეულებით შეუძლიათ მიაღწიონ ელასტიურ და მოქნილ თვისებებს (სურათი 1f).

სურათი 1 (ა) უნიკალური ლიგატების შეერთებისა და მრუდი ზედაპირის დიზაინი აუცილებელია მოქნილობის მისაღწევად; ბ) მოქნილი ბატარეის სტრუქტურისა და წარმოების პროცესის სქემატური დიაგრამა; (c) ძვალი შეესაბამება სქელ ელექტროდების დასტას, ხოლო ლიგატი შეესაბამება გაშლილ (D) მოქნილი ბატარეის სტრუქტურას ცილინდრული და სამკუთხა უჯრედებით; (ე) კვადრატული უჯრედების დაწყობის სქემატური დიაგრამა; ვ) ცილინდრული უჯრედების გაჭიმვის დეფორმაცია.

მექანიკური სიმულაციური ანალიზის შემდგომმა გამოყენებამ დაადასტურა მოქნილი ბატარეის სტრუქტურის სტაბილურობა. ნახაზი 2a გვიჩვენებს სპილენძის და ალუმინის ფოლგის დაძაბულობის განაწილებას ცილინდრში მოხრილობისას (180° რადიანი). შედეგები აჩვენებს, რომ სპილენძისა და ალუმინის ფოლგის სტრესი გაცილებით დაბალია, ვიდრე მათი მოსავლიანობა, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ეს დეფორმაცია არ გამოიწვევს პლასტმასის დეფორმაციას. ამჟამინდელი ლითონის კოლექტორს შეუძლია თავიდან აიცილოს შეუქცევადი დაზიანება.

სურათი 2b გვიჩვენებს დაძაბულობის განაწილებას, როდესაც მოხრის ხარისხი კიდევ უფრო იზრდება და სპილენძის ფოლგისა და ალუმინის ფოლგის დაძაბულობა ასევე ნაკლებია, ვიდრე მათი შესაბამისი გამტარუნარიანობა. ამიტომ, სტრუქტურას შეუძლია გაუძლოს დასაკეცი დეფორმაციას კარგი გამძლეობის შენარჩუნებით. გარდა მოხრის დეფორმაციისა, სისტემას შეუძლია მიაღწიოს დამახინჯების გარკვეულ ხარისხს (სურათი 2c).

ცილინდრული ერთეულების მქონე ბატარეებისთვის, წრის თანდაყოლილი მახასიათებლების გამო, მას შეუძლია მიაღწიოს უფრო მძიმე და რთულ დეფორმაციას. ამიტომ, როდესაც ბატარეა იკეცება 180o-მდე (სურათი 2d, e), დაჭიმულია საწყისი სიგრძის დაახლოებით 140%-მდე (სურათი 2f) და გადახვევა 90o-მდე (სურათი 2g), მას შეუძლია შეინარჩუნოს მექანიკური სტაბილურობა. გარდა ამისა, როდესაც ცალ-ცალკე გამოიყენება მოღუნვა + გრეხილი და გრაგნილი დეფორმაცია, შექმნილი LIB-ის სტრუქტურა არ გამოიწვევს მიმდინარე ლითონის კოლექტორის შეუქცევად პლასტმასის დეფორმაციას სხვადასხვა მძიმე და რთული დეფორმაციების დროს.

ნახაზი 2 (ა.გ) კვადრატული უჯრედის სასრული ელემენტების სიმულაციის შედეგები დახრის, დაკეცვისა და გადახვევის დროს; (დი) ცილინდრული უჯრედის სასრული ელემენტების სიმულაციის შედეგები ღუნვის, დაკეცვის, გაჭიმვის, გრეხილის, ღუნვის + დახვევისა და დახვევის დროს.

დაპროექტებული მოქნილი ბატარეის ელექტროქიმიური მუშაობის შესაფასებლად, LiCoO2 გამოიყენებოდა როგორც კათოდური მასალა გამონადენის სიმძლავრის და ციკლის სტაბილურობის შესამოწმებლად. როგორც ნახატ 3a-ზეა ნაჩვენები, კვადრატული უჯრედებით ბატარეის განმუხტვის სიმძლავრე მნიშვნელოვნად არ მცირდება მას შემდეგ, რაც თვითმფრინავი დეფორმირდება, რათა დაიბრუნოს, დაიკეცოს და დატრიალდეს 1 C გადიდებაზე, რაც ნიშნავს, რომ მექანიკური დეფორმაცია არ გამოიწვევს კონსტრუქციას. მოქნილი ბატარეა ელექტროქიმიურად ეცემა. დინამიური მოხრის შემდეგაც კი (სურათი 3c, d) და დინამიური ბრუნვის შემდეგ (სურათი 3e, f) და გარკვეული რაოდენობის ციკლების შემდეგ, დამუხტვის და განმუხტვის პლატფორმას და ხანგრძლივი ციკლის შესრულებას არ აქვს აშკარა ცვლილებები, რაც ნიშნავს, რომ შიდა სტრუქტურა ბატარეა კარგად არის დაცული.

სურათი 3 (ა) კვადრატული ერთეული ბატარეის დატენვისა და გამორთვის ტესტი 1C ტემპერატურაზე; (ბ) დატენვისა და განმუხტვის მრუდი სხვადასხვა პირობებში; (გ, დ) დინამიური მოღუნვის პირობებში, ბატარეის ციკლის შესრულება და შესაბამისი დამუხტვისა და განმუხტვის მრუდი; (ე, ვ) დინამიური ბრუნვის პირობებში, ბატარეის ციკლის შესრულება და შესაბამისი დამუხტვა-გამომრთველი მრუდი სხვადასხვა ციკლის დროს.

სიმულაციური ანალიზის შედეგები აჩვენებს, რომ წრის თანდაყოლილი მახასიათებლების წყალობით, მოქნილი LIB-ები ცილინდრული ელემენტებით უძლებენ უფრო ექსტრემალურ და რთულ დეფორმაციას. ამიტომ, ცილინდრული ერთეულის მოქნილი LIB-ების ელექტროქიმიური მუშაობის საჩვენებლად, ტესტი ჩატარდა 1 C სიჩქარით, რამაც აჩვენა, რომ როდესაც ბატარეა განიცდის სხვადასხვა დეფორმაციას, ელექტროქიმიურ მუშაობაში თითქმის არ იცვლება. დეფორმაცია არ გამოიწვევს ძაბვის მრუდის შეცვლას (სურათი 4a, b).

ცილინდრული ბატარეის ელექტროქიმიური მდგრადობისა და მექანიკური გამძლეობის შემდგომი შესაფასებლად, ის დაექვემდებარა ბატარეას დინამიურ ავტომატიზირებულ დატვირთვას 1 C სიჩქარით. კვლევა აჩვენებს, რომ დინამიური გაჭიმვის შემდეგ (სურათი 4c, d), დინამიური ბრუნვა (სურათი 4e, f) , და დინამიური მოხრა + ტორსიონი (სურათი 4გ, თ), ბატარეის დატენვა-განმუხტვის ციკლის შესრულება და შესაბამისი ძაბვის მრუდი არ იმოქმედებს. სურათი 4i გვიჩვენებს ბატარეის მუშაობას ფერადი ენერგიის შესანახი ერთეულით. გამონადენის სიმძლავრე იშლება 133.3 mAm g-1-დან 129.9 mAh g-1-მდე, ხოლო სიმძლავრის დანაკარგი ციკლზე არის მხოლოდ 0.04%, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ დეფორმაცია არ იმოქმედებს მის ციკლის სტაბილურობასა და გამონადენის შესაძლებლობებზე.

სურათი 4 (ა) ცილინდრული უჯრედების სხვადასხვა კონფიგურაციის დამუხტვისა და განმუხტვის ციკლის ტესტი 1 C ტემპერატურაზე; (ბ) ბატარეის შესაბამისი დამუხტვისა და განმუხტვის მრუდები სხვადასხვა პირობებში; (გ, დ) ციკლის შესრულება და ბატარეის დამუხტვა დინამიური დაძაბულობის დროს გამონადენის მრუდი; (ე, ვ) ბატარეის ციკლის შესრულება დინამიური ბრუნვის პირობებში და შესაბამისი დამუხტვა-დამუხტვის მრუდი სხვადასხვა ციკლის დროს; (ზ, თ) ბატარეის ციკლის შესრულება დინამიური მოხრა + ტორსიის დროს და შესაბამისი დამუხტვა-დამუხტვის მრუდი სხვადასხვა ციკლის დროს; (I) პრიზმული ერთეულის ბატარეების დატენვისა და განმუხტვის ტესტი სხვადასხვა კონფიგურაციით 1 C ტემპერატურაზე.

შემუშავებული მოქნილი ბატარეის პრაქტიკაში გამოყენების შესაფასებლად ავტორი იყენებს სრულ ბატარეებს სხვადასხვა ტიპის ენერგიის შესანახი ერთეულებით ზოგიერთი კომერციული ელექტრონული პროდუქტის, როგორიცაა ყურსასმენები, ჭკვიანი საათები, მინი ელექტრო ვენტილატორები, კოსმეტიკური ინსტრუმენტები და სმარტფონები. ორივე საკმარისია ყოველდღიური გამოყენებისთვის, სრულად განასახიერებს სხვადასხვა მოქნილი და ტარებადი ელექტრონული პროდუქტის გამოყენების პოტენციალს.

სურათი 5 იყენებს დაპროექტებულ ბატარეას ყურსასმენებზე, სმარტ საათებზე, მინი ელექტრო ვენტილატორების, კოსმეტიკური მოწყობილობებისა და სმარტფონებისთვის. მოქნილი ბატარეა ენერგიას აწვდის (ა) ყურსასმენებს, (ბ) სმარტ საათებს და (გ) მინი ელექტრო ვენტილატორების; დ) ელექტროენერგიის მიწოდებას კოსმეტიკური აღჭურვილობისთვის; (ე) სხვადასხვა დეფორმაციის პირობებში, მოქნილი ბატარეა აწვდის ენერგიას სმარტფონებისთვის.

შეჯამება და პერსპექტივა

მოკლედ, ეს სტატია შთაგონებულია ადამიანის სახსრების სტრუქტურით. იგი გვთავაზობს უნიკალურ დიზაინის მეთოდს მოქნილი ბატარეის წარმოებისთვის მაღალი ენერგიის სიმკვრივით, მრავალჯერადი დეფორმაციით და გამძლეობით. ტრადიციულ მოქნილ LIB-ებთან შედარებით, ამ ახალ დიზაინს შეუძლია ეფექტურად აიცილოს ამჟამინდელი ლითონის კოლექტორის პლასტიკური დეფორმაცია. ამავდროულად, ამ ნაშრომში შექმნილი ენერგიის შესანახი ერთეულის ორივე ბოლოში დაცული მრუდი ზედაპირები ეფექტურად ათავისუფლებს ერთმანეთთან დაკავშირებული კომპონენტების ლოკალურ სტრესს. გარდა ამისა, გრაგნილის სხვადასხვა მეთოდს შეუძლია შეცვალოს დაფის ფორმა, რაც ბატარეას აძლევს საკმარის დეფორმაციას. მოქნილი ბატარეა ავლენს შესანიშნავი ციკლის სტაბილურობას და მექანიკურ გამძლეობას ახალი დიზაინის წყალობით და აქვს ფართო გამოყენების პერსპექტივები სხვადასხვა მოქნილ და ტარებად ელექტრონულ პროდუქტებში.

ლიტერატურის ლინკი

ადამიანის სახსრის შთაგონებული სტრუქტურული დიზაინი მოსახვევი/დასაკეცი/გაჭიმვადი/მოგრეხილი ბატარეისთვის: მრავალჯერადი დეფორმაციის მიღწევა. (ენერგეტიკული გარემო. მეცნიერება., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)