Hong Kong CityU EES: Pin lithium-ion linh hoạt lấy cảm hứng từ các khớp xương của con người

Cơ sở nghiên cứu

Nhu cầu ngày càng tăng đối với các sản phẩm điện tử đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị lưu trữ linh hoạt và mật độ năng lượng cao trong những năm gần đây. Pin lithium ion linh hoạt (LIB) với mật độ năng lượng cao và hiệu suất điện hóa ổn định được coi là công nghệ pin hứa hẹn nhất cho các sản phẩm điện tử đeo được. Mặc dù việc sử dụng điện cực màng mỏng và điện cực dựa trên polyme cải thiện đáng kể tính linh hoạt của LIB, có những vấn đề sau:

(1) Hầu hết các loại pin linh hoạt được xếp chồng lên nhau bởi "điện cực âm-tách điện cực dương", và khả năng biến dạng hạn chế và trượt giữa các ngăn xếp nhiều lớp hạn chế hiệu suất tổng thể của LIB;

(2) Trong một số điều kiện khắc nghiệt hơn, chẳng hạn như gấp, kéo căng, cuộn dây và biến dạng phức tạp, nó không thể đảm bảo hiệu suất của pin;

(3) Một phần của chiến lược thiết kế bỏ qua sự biến dạng của bộ thu kim loại hiện tại.

Do đó, đồng thời đạt được góc uốn nhỏ, nhiều chế độ biến dạng, độ bền cơ học vượt trội và mật độ năng lượng cao vẫn còn nhiều thách thức.

Giới thiệu

Gần đây, Giáo sư Chunyi Zhi và Tiến sĩ Cuiping Han tại Đại học Thành phố Hồng Kông đã xuất bản bài báo có tựa đề "Thiết kế cấu trúc lấy cảm hứng từ khớp nối của con người cho pin có thể uốn cong / gập lại / co giãn / vặn xoắn: đạt được nhiều biến dạng" trên Energy Environ. Khoa học. Công trình này được lấy cảm hứng từ cấu trúc các khớp của con người và thiết kế một loại LIB linh hoạt tương tự như hệ thống khớp. Dựa trên thiết kế mới lạ này, pin linh hoạt, được chuẩn bị sẵn có thể đạt được mật độ năng lượng cao và có thể uốn cong hoặc thậm chí gấp lại ở 180 °. Đồng thời, cấu trúc kết cấu có thể được thay đổi thông qua các phương pháp quấn khác nhau để LIB mềm dẻo có khả năng biến dạng phong phú, có thể được áp dụng cho các biến dạng nghiêm trọng và phức tạp hơn (cuộn và xoắn), và thậm chí có thể được kéo dài, và khả năng biến dạng của chúng vượt xa các báo cáo trước đây về LIB linh hoạt. Phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn xác nhận rằng pin được thiết kế trong bài báo này sẽ không trải qua biến dạng dẻo không thể phục hồi của bộ thu kim loại hiện tại dưới các biến dạng khắc nghiệt và phức tạp khác nhau. Đồng thời, pin đơn vị hình vuông được lắp ráp có thể đạt được mật độ năng lượng lên đến 371.9 Wh / L, bằng 92.9% so với pin dạng gói mềm truyền thống. Ngoài ra, nó có thể duy trì hiệu suất chu kỳ ổn định ngay cả sau hơn 200,000 lần uốn động và 25,000 lần biến dạng động.

Nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng tế bào đơn vị hình trụ được lắp ráp có thể chịu được các biến dạng nghiêm trọng và phức tạp hơn. Sau hơn 100,000 lần kéo căng động, 20,000 lần xoắn và 100,000 lần biến dạng uốn, nó vẫn có thể đạt được công suất cao hơn 88% —tỷ lệ cân bằng. Do đó, LIB linh hoạt được đề xuất trong bài báo này cung cấp một triển vọng lớn cho các ứng dụng thực tế trong thiết bị điện tử đeo được.

Nghiên cứu nổi bật

1) LIB linh hoạt, lấy cảm hứng từ các khớp của con người, có thể duy trì hiệu suất chu kỳ ổn định dưới các biến dạng uốn, xoắn, kéo căng và quanh co;

(2) Với pin dẻo hình vuông, nó có thể đạt được mật độ năng lượng lên đến 371.9 Wh / L, bằng 92.9% so với pin dạng mềm truyền thống;

(3) Các phương pháp quấn dây khác nhau có thể thay đổi hình dạng của ngăn xếp pin và làm cho pin có đủ độ biến dạng.

Hướng dẫn đồ họa

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ngoài việc đảm bảo mật độ năng lượng khối lượng lớn và biến dạng phức tạp hơn, thiết kế cấu trúc cũng phải tránh biến dạng dẻo của bộ thu dòng điện. Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy rằng phương pháp tốt nhất của bộ thu dòng điện là ngăn bộ thu dòng điện có bán kính uốn nhỏ trong quá trình uốn để tránh biến dạng dẻo và hư hỏng không thể phục hồi của bộ thu dòng điện.

Hình 1a mô tả cấu trúc các khớp của con người, trong đó thiết kế bề mặt cong lớn hơn một cách khéo léo giúp các khớp quay trơn tru. Dựa trên điều này, Hình 1b cho thấy một cực dương graphit / màng ngăn / cực dương liti coban (LCO) điển hình, có thể được quấn thành một cấu trúc chồng dày hình vuông. Ở phần tiếp giáp, nó bao gồm hai chồng cứng dày và một phần mềm dẻo. Quan trọng hơn, tấm xếp dày có bề mặt cong tương đương với lớp vỏ xương khớp, giúp tạo áp suất đệm và cung cấp dung lượng chính của pin dẻo. Phần đàn hồi hoạt động như một dây chằng, kết nối các ngăn xếp dày và mang lại sự linh hoạt (Hình 1c). Ngoài cách quấn thành cọc vuông, pin có ô hình trụ hoặc tam giác cũng có thể được chế tạo bằng cách thay đổi cách quấn (Hình 1d). Đối với LIB linh hoạt có bộ lưu trữ năng lượng hình vuông, các phân đoạn liên kết với nhau sẽ cuộn dọc theo bề mặt hình vòng cung của ngăn xếp dày trong quá trình uốn (Hình 1e), do đó làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin linh hoạt. Ngoài ra, thông qua bao bọc polyme đàn hồi, các LIB mềm dẻo với các đơn vị hình trụ có thể đạt được các đặc tính có thể co giãn và linh hoạt (Hình 1f).

Hình 1 (a) Thiết kế kết nối dây chằng độc đáo và bề mặt cong là điều cần thiết để đạt được tính linh hoạt; (b) Sơ đồ cấu trúc và quy trình sản xuất pin linh hoạt; (c) xương tương ứng với ngăn xếp điện cực dày hơn, và dây chằng tương ứng với không cuộn (D) Cấu trúc pin linh hoạt với các ô hình trụ và hình tam giác; (e) Sơ đồ xếp chồng các ô vuông; (f) Biến dạng kéo dài của tế bào hình trụ.

Việc sử dụng thêm phân tích mô phỏng cơ học đã xác nhận tính ổn định của cấu trúc pin linh hoạt. Hình 2a cho thấy sự phân bố ứng suất của lá đồng và nhôm khi uốn thành hình trụ (180 ° radian). Kết quả cho thấy ứng suất của đồng và lá nhôm thấp hơn nhiều so với cường độ chảy của chúng, chứng tỏ rằng biến dạng này sẽ không gây ra biến dạng dẻo. Bộ thu kim loại hiện tại có thể tránh được những hư hỏng không thể phục hồi.

Hình 2b cho thấy sự phân bố ứng suất khi mức độ uốn càng tăng, và ứng suất của lá đồng và lá nhôm cũng nhỏ hơn cường độ chảy tương ứng của chúng. Do đó, kết cấu có thể chịu được biến dạng gấp mà vẫn giữ được độ bền tốt. Ngoài biến dạng uốn, hệ thống có thể đạt được một mức độ biến dạng nhất định (Hình 2c).

Đối với pin có đơn vị hình trụ, do đặc tính vốn có của hình tròn, nó có thể bị biến dạng nghiêm trọng và phức tạp hơn. Do đó, khi pin được gấp lại đến 180o (Hình 2d, e), kéo dài đến khoảng 140% so với chiều dài ban đầu (Hình 2f) và xoắn đến 90o (Hình 2g), nó có thể duy trì độ ổn định cơ học. Ngoài ra, khi uốn + xoắn và biến dạng cuộn được áp dụng riêng biệt, cấu trúc LIB được thiết kế sẽ không gây ra biến dạng dẻo không thể đảo ngược của bộ thu kim loại hiện tại dưới các biến dạng nghiêm trọng và phức tạp khác nhau.

Hình 2 (ac) Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn của một ô vuông bị uốn, gấp và xoắn; (di) Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn của một ô hình trụ trong điều kiện uốn, gấp, duỗi, xoắn, uốn + xoắn và quanh co.

Để đánh giá hiệu suất điện hóa của pin dẻo được thiết kế, LiCoO2 được sử dụng làm vật liệu catốt để kiểm tra khả năng phóng điện và độ ổn định chu kỳ. Như thể hiện trong Hình 3a, khả năng phóng điện của pin có ô vuông không giảm đáng kể sau khi mặt phẳng bị biến dạng uốn cong, vòng, gấp khúc và xoắn ở độ phóng đại 1 C, có nghĩa là biến dạng cơ học sẽ không gây ra thiết kế của pin dẻo bị điện hóa Hiệu suất giảm. Ngay cả sau khi uốn động (Hình 3c, d) và xoắn động (Hình 3e, f) và sau một số chu kỳ nhất định, nền tảng sạc và xả và hiệu suất chu kỳ dài không có thay đổi rõ ràng, có nghĩa là cấu trúc bên trong của pin được bảo vệ tốt.

Hình 3 (a) Thử nghiệm sạc và phóng điện của pin đơn vị vuông dưới 1C; (b) Đường cong nạp và xả trong các điều kiện khác nhau; (c, d) Dưới sự uốn cong động, hiệu suất chu kỳ pin và đường cong sạc và xả tương ứng; (e, f) Dưới lực xoắn động, hiệu suất chu kỳ của pin và đường cong sạc-xả tương ứng theo các chu kỳ khác nhau.

Kết quả phân tích mô phỏng cho thấy nhờ các đặc tính vốn có của hình tròn, các LIB mềm dẻo với các phần tử hình trụ có thể chịu được các biến dạng khắc nghiệt và phức tạp hơn. Do đó, để chứng minh hiệu suất điện hóa của các LIB mềm của khối hình trụ, thử nghiệm được thực hiện ở tốc độ 1 C, cho thấy rằng khi pin trải qua các biến dạng khác nhau, hiệu suất điện hóa hầu như không thay đổi. Sự biến dạng sẽ không làm cho đường cong điện áp thay đổi (Hình 4a, b).

Để đánh giá thêm về độ ổn định điện hóa và độ bền cơ học của pin hình trụ, nó đã cho pin thử nghiệm tải động tự động ở tốc độ 1 C. Nghiên cứu cho thấy rằng sau khi kéo giãn động (Hình 4c, d), lực xoắn (Hình 4e, f) và uốn + xoắn động (Hình 4g, h), hiệu suất chu kỳ sạc-xả của pin và đường cong điện áp tương ứng không bị ảnh hưởng. Hình 4i cho thấy hiệu suất của pin với bộ lưu trữ năng lượng nhiều màu sắc. Dung lượng phóng điện giảm từ 133.3 mAm g-1 xuống 129.9 mAh g-1 và tổn thất dung lượng mỗi chu kỳ chỉ là 0.04%, cho thấy rằng sự biến dạng sẽ không ảnh hưởng đến độ ổn định chu kỳ và khả năng phóng điện của nó.

Hình 4 (a) Thử nghiệm chu kỳ sạc và phóng điện của các cấu hình khác nhau của pin hình trụ ở 1 C; (b) Các đường cong sạc và xả tương ứng của pin trong các điều kiện khác nhau; (c, d) Hiệu suất chu kỳ và điện tích của pin theo độ căng động Đường cong phóng điện; (e, f) hiệu suất chu kỳ của pin trong điều kiện xoắn động và đường cong sạc-xả tương ứng trong các chu kỳ khác nhau; (g, h) hiệu suất chu kỳ của pin khi uốn + xoắn động và đường cong sạc-xả tương ứng theo các chu kỳ khác nhau; (I) Thử nghiệm sạc và phóng điện của pin khối lăng trụ có cấu hình khác nhau ở 1 C.

Để đánh giá ứng dụng của pin dẻo đã phát triển trong thực tế, tác giả sử dụng pin đầy đủ với các loại bộ lưu trữ năng lượng khác nhau để cung cấp năng lượng cho một số sản phẩm điện tử thương mại, chẳng hạn như tai nghe, đồng hồ thông minh, quạt điện mini, dụng cụ mỹ phẩm và điện thoại thông minh. Cả hai đều đủ để sử dụng hàng ngày, thể hiện đầy đủ tiềm năng ứng dụng của các sản phẩm điện tử đeo và linh hoạt khác nhau.

Hình 5 áp dụng pin được thiết kế cho tai nghe, đồng hồ thông minh, quạt điện mini, thiết bị mỹ phẩm và điện thoại thông minh. Pin linh hoạt cung cấp năng lượng cho (a) tai nghe, (b) đồng hồ thông minh, và (c) quạt điện mini; (d) cung cấp điện cho thiết bị thẩm mỹ; (e) trong các điều kiện biến dạng khác nhau, pin dẻo sẽ cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh.

Tóm tắt và triển vọng

Tóm lại, bài viết này được lấy cảm hứng từ cấu trúc các khớp của con người. Nó đề xuất một phương pháp thiết kế độc đáo để sản xuất pin linh hoạt với mật độ năng lượng cao, nhiều khả năng biến dạng và độ bền. So với LIB mềm truyền thống, thiết kế mới này có thể tránh hiệu quả sự biến dạng dẻo của bộ thu kim loại hiện tại. Đồng thời, các bề mặt cong dành riêng ở cả hai đầu của bộ lưu trữ năng lượng được thiết kế trong bài báo này có thể làm giảm ứng suất cục bộ của các thành phần được kết nối với nhau một cách hiệu quả. Ngoài ra, các phương pháp quấn dây khác nhau có thể thay đổi hình dạng của ngăn xếp, giúp pin có đủ độ biến dạng. Pin linh hoạt thể hiện độ ổn định chu kỳ và độ bền cơ học tuyệt vời nhờ thiết kế mới lạ và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử đeo và linh hoạt khác nhau.

Liên kết văn học

Thiết kế cấu trúc lấy cảm hứng từ khớp nối của con người cho pin có thể uốn cong / gập lại / co giãn / vặn xoắn: đạt được nhiều khả năng biến dạng. (Môi trường năng lượng. Khoa học., Năm 2021, DOI: 10.1039 / D1EE00480H)