Home / Blog / Pengetahuan Baterai / Hong Kong CityU EES: Baterai lithium-ion fleksibel yang terinspirasi oleh sendi manusia

Hong Kong CityU EES: Baterai lithium-ion fleksibel yang terinspirasi oleh sendi manusia

15 Oktober, 2021

By hoppt

Latar belakang penelitian

Meningkatnya permintaan akan produk elektronik telah mendorong perkembangan pesat perangkat penyimpanan yang fleksibel dan berdensitas energi tinggi dalam beberapa tahun terakhir. Baterai lithium ion fleksibel (LIB) dengan kepadatan energi tinggi dan kinerja elektrokimia yang stabil dianggap sebagai teknologi baterai yang paling menjanjikan untuk produk elektronik yang dapat dikenakan. Meskipun penggunaan elektroda film tipis dan elektroda berbasis polimer secara dramatis meningkatkan fleksibilitas LIB, ada masalah berikut:

(1) Sebagian besar baterai fleksibel ditumpuk oleh "elektroda positif-pemisah-elektroda negatif", dan deformabilitasnya yang terbatas serta selip di antara tumpukan berlapis-lapis membatasi kinerja LIB secara keseluruhan;

(2) Di bawah beberapa kondisi yang lebih parah, seperti lipat, peregangan, berliku, dan deformasi kompleks, tidak dapat menjamin kinerja baterai;

(3) Bagian dari strategi desain mengabaikan deformasi kolektor logam saat ini.

Oleh karena itu, secara bersamaan mencapai sedikit sudut lengkungnya, beberapa mode deformasi, ketahanan mekanis yang unggul, dan kepadatan energi yang tinggi masih menghadapi banyak tantangan.

Pengantar

Baru-baru ini, Profesor Chunyi Zhi dan Dr. Cuiping Han dari Universitas Kota Hong Kong menerbitkan sebuah makalah berjudul "Desain struktural yang diilhami bersama manusia untuk baterai yang dapat ditekuk/dilipat/diregangkan/diputar: mencapai beberapa deformabilitas" di Energy Environ. Sci. Karya ini terinspirasi oleh struktur sendi manusia dan dirancang semacam LIB fleksibel yang mirip dengan sistem sendi. Berdasarkan desain baru ini, baterai fleksibel yang disiapkan dapat mencapai kepadatan energi yang tinggi dan dapat ditekuk atau bahkan dilipat pada 180 °. Pada saat yang sama, struktur struktural dapat diubah melalui metode belitan yang berbeda sehingga LIB fleksibel memiliki kemampuan deformasi yang kaya, dapat diterapkan pada deformasi yang lebih parah dan kompleks (belitan dan puntiran), dan bahkan dapat diregangkan, dan kemampuan deformasinya meningkat. jauh melampaui laporan sebelumnya tentang LIB fleksibel. Analisis simulasi elemen hingga menegaskan bahwa baterai yang dirancang dalam makalah ini tidak akan mengalami deformasi plastis ireversibel dari kolektor logam saat ini di bawah berbagai deformasi yang keras dan kompleks. Pada saat yang sama, baterai unit persegi yang dirakit dapat mencapai kepadatan energi hingga 371.9 Wh/L, yang merupakan 92.9% dari baterai soft pack tradisional. Selain itu, ia dapat mempertahankan kinerja siklus yang stabil bahkan setelah lebih dari 200,000 kali pembengkokan dinamis dan 25,000 kali distorsi dinamis.

Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa sel unit silinder yang dirakit dapat menahan deformasi yang lebih parah dan kompleks. Setelah lebih dari 100,000 peregangan dinamis, 20,000 putaran, dan 100,000 deformasi lentur, masih dapat mencapai kapasitas tinggi lebih dari 88%—tingkat retensi. Oleh karena itu, LIB fleksibel yang diusulkan dalam makalah ini memberikan prospek besar untuk aplikasi praktis dalam elektronik yang dapat dikenakan.

Sorotan penelitian

1) LIB yang fleksibel, terinspirasi oleh sambungan manusia, dapat mempertahankan kinerja siklus yang stabil di bawah deformasi pembengkokan, puntiran, peregangan, dan lilitan;

(2) Dengan baterai fleksibel persegi, dapat mencapai kepadatan energi hingga 371.9 Wh/L, yang merupakan 92.9% dari baterai soft-pack tradisional;

(3) Metode penggulungan yang berbeda dapat mengubah bentuk tumpukan baterai dan memberikan daya deformasi yang cukup pada baterai.

panduan grafis

1. Desain tipe baru LIB fleksibel bionik

Penelitian telah menunjukkan bahwa, selain memastikan kepadatan energi volume tinggi dan deformasi yang lebih kompleks, desain struktural juga harus menghindari deformasi plastis dari kolektor saat ini. Simulasi elemen hingga menunjukkan bahwa metode terbaik dari kolektor arus adalah untuk mencegah kolektor arus memiliki radius tekukan yang kecil selama proses pembengkokan untuk menghindari deformasi plastis dan kerusakan permanen pada kolektor arus.

Gambar 1a menunjukkan struktur sendi manusia, di mana desain permukaan melengkung yang lebih besar membantu sendi untuk berputar dengan lancar. Berdasarkan hal ini, Gambar 1b menunjukkan anoda grafit khas/diafragma/lithium kobaltat (LCO) anoda, yang dapat dililitkan menjadi struktur tumpukan tebal persegi. Di persimpangan, itu terdiri dari dua tumpukan kaku yang tebal dan bagian yang fleksibel. Lebih penting lagi, tumpukan tebal memiliki permukaan melengkung yang setara dengan penutup tulang sendi, yang membantu menahan tekanan dan menyediakan kapasitas utama baterai fleksibel. Bagian elastis bertindak sebagai ligamen, menghubungkan tumpukan tebal dan memberikan fleksibilitas (Gambar 1c). Selain penggulungan menjadi tumpukan persegi, baterai dengan sel silinder atau segitiga juga dapat dibuat dengan mengubah metode penggulungan (Gambar 1d). Untuk LIB fleksibel dengan unit penyimpanan energi persegi, segmen yang saling berhubungan akan berguling di sepanjang permukaan berbentuk busur dari tumpukan tebal selama proses pembengkokan (Gambar 1e), sehingga secara signifikan meningkatkan kepadatan energi baterai fleksibel. Selain itu, melalui enkapsulasi polimer elastis, LIB fleksibel dengan unit silinder dapat mencapai sifat yang dapat diregangkan dan fleksibel (Gambar 1f).

Gambar 1 (a) Desain sambungan ligamen yang unik dan permukaan melengkung sangat penting untuk mencapai fleksibilitas; (b) Diagram skematis struktur baterai fleksibel dan proses manufaktur; (c) tulang sesuai dengan tumpukan elektroda yang lebih tebal, dan ligamen sesuai dengan gulungan yang tidak digulung (D) Struktur baterai fleksibel dengan sel silinder dan segitiga; (e) Diagram skematik susun sel persegi; (f) Peregangan deformasi sel silinder.

2. Analisis simulasi elemen hingga

Penggunaan lebih lanjut dari analisis simulasi mekanis menegaskan stabilitas struktur baterai fleksibel. Gambar 2a menunjukkan distribusi tegangan tembaga dan aluminium foil ketika ditekuk ke dalam silinder (180 ° radian). Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan tembaga dan aluminium foil jauh lebih rendah daripada kekuatan luluhnya, menunjukkan bahwa deformasi ini tidak akan menyebabkan deformasi plastis. Kolektor logam saat ini dapat menghindari kerusakan permanen.

Gambar 2b menunjukkan distribusi tegangan ketika derajat lentur ditingkatkan lebih lanjut, dan tegangan foil tembaga dan aluminium foil juga kurang dari kekuatan luluh yang sesuai. Oleh karena itu, struktur dapat menahan deformasi lipat sambil mempertahankan daya tahan yang baik. Selain deformasi lentur, sistem dapat mencapai tingkat distorsi tertentu (Gambar 2c).

Untuk baterai dengan unit silinder, karena karakteristik yang melekat pada lingkaran, ia dapat mencapai deformasi yang lebih parah dan kompleks. Oleh karena itu, ketika baterai dilipat hingga 180o (Gambar 2d, e), diregangkan hingga sekitar 140% dari panjang aslinya (Gambar 2f), dan dipelintir hingga 90o (Gambar 2g), baterai dapat mempertahankan stabilitas mekanis. Selain itu, ketika deformasi lentur + puntiran dan belitan diterapkan secara terpisah, struktur LIB yang dirancang tidak akan menyebabkan deformasi plastis ireversibel dari kolektor logam saat ini di bawah berbagai deformasi yang parah dan kompleks.

Gambar 2 (ac) Hasil simulasi elemen hingga sel persegi di bawah pembengkokan, pelipatan, dan puntiran; (di) Hasil simulasi elemen hingga sel silinder di bawah pembengkokan, pelipatan, peregangan, puntiran, pembengkokan + puntiran dan lilitan.

3. Kinerja elektrokimia LIB fleksibel dari unit penyimpanan energi persegi

Untuk mengevaluasi kinerja elektrokimia dari baterai fleksibel yang dirancang, LiCoO2 digunakan sebagai bahan katoda untuk menguji kapasitas pelepasan dan stabilitas siklus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, kapasitas pelepasan baterai dengan sel persegi tidak berkurang secara signifikan setelah bidang dideformasi menjadi bengkok, melingkar, terlipat, dan terpuntir pada perbesaran 1 C, yang berarti bahwa deformasi mekanis tidak akan menyebabkan desain baterai fleksibel menjadi penurunan kinerja elektrokimia. Bahkan setelah pembengkokan dinamis (Gambar 3c, d) dan torsi dinamis (Gambar 3e, f), dan setelah sejumlah siklus tertentu, platform pengisian dan pengosongan dan kinerja siklus panjang tidak memiliki perubahan yang nyata, yang berarti bahwa struktur internal dari baterai terlindungi dengan baik.

Gambar 3 (a) Uji pengisian dan pengosongan baterai unit persegi di bawah 1C; (b) Kurva pengisian dan pengosongan di bawah kondisi yang berbeda; (c, d) Di bawah pembengkokan dinamis, kinerja siklus baterai dan kurva pengisian dan pengosongan yang sesuai; (e, f) Di bawah torsi dinamis, kinerja siklus baterai dan kurva pengisian-pengosongan yang sesuai di bawah siklus yang berbeda.

4. Kinerja elektrokimia LIB fleksibel dari unit penyimpanan energi silinder

Hasil analisis simulasi menunjukkan bahwa berkat karakteristik yang melekat pada lingkaran, LIB fleksibel dengan elemen silinder dapat menahan deformasi yang lebih ekstrem dan kompleks. Oleh karena itu, untuk menunjukkan kinerja elektrokimia dari LIB fleksibel unit silinder, pengujian dilakukan pada laju 1 C, yang menunjukkan bahwa ketika baterai mengalami berbagai deformasi, hampir tidak ada perubahan dalam kinerja elektrokimia. Deformasi tidak akan menyebabkan kurva tegangan berubah (Gambar 4a, b).

Untuk mengevaluasi lebih lanjut stabilitas elektrokimia dan ketahanan mekanis baterai silinder, baterai menjalani uji beban otomatis dinamis pada tingkat 1 C. Penelitian menunjukkan bahwa setelah peregangan dinamis (Gambar 4c, d), torsi dinamis (Gambar 4e, f) , dan torsi + lentur dinamis (Gambar 4g, h), kinerja siklus pengisian-pengosongan baterai dan kurva tegangan yang sesuai tidak terpengaruh. Gambar 4i menunjukkan kinerja baterai dengan unit penyimpanan energi berwarna-warni. Kapasitas debit meluruh dari 133.3 mAm g-1 menjadi 129.9 mAh g-1, dan kehilangan kapasitas per siklus hanya 0.04%, menunjukkan bahwa deformasi tidak akan mempengaruhi stabilitas siklus dan kapasitas debitnya.

Gambar 4 (a) Uji siklus pengisian dan pengosongan konfigurasi yang berbeda dari sel silinder pada 1 C; (b) Kurva pengisian dan pengosongan baterai yang sesuai pada kondisi yang berbeda; (c, d) Performa siklus dan pengisian baterai di bawah tegangan dinamis Kurva pelepasan; (e, f) kinerja siklus baterai di bawah torsi dinamis dan kurva pengisian-pengosongan yang sesuai di bawah siklus yang berbeda; (g, h) kinerja siklus baterai di bawah lentur dinamis + torsi dan kurva pengisian-pengosongan yang sesuai di bawah siklus yang berbeda; (I) Uji pengisian dan pengosongan baterai unit prismatik dengan konfigurasi berbeda pada 1 C.

5. Penerapan produk elektronik yang fleksibel dan dapat dipakai

Untuk mengevaluasi penerapan baterai fleksibel yang dikembangkan dalam praktiknya, penulis menggunakan baterai penuh dengan berbagai jenis unit penyimpanan energi untuk memberi daya pada beberapa produk elektronik komersial, seperti earphone, jam tangan pintar, kipas angin mini, instrumen kosmetik, dan ponsel pintar. Keduanya cukup untuk penggunaan sehari-hari, sepenuhnya mewujudkan potensi aplikasi berbagai produk elektronik yang fleksibel dan dapat dikenakan.

Gambar 5 menerapkan baterai yang dirancang untuk earphone, jam tangan pintar, kipas listrik mini, peralatan kosmetik, dan telepon pintar. Baterai fleksibel memasok daya untuk (a) earphone, (b) jam tangan pintar, dan (c) kipas listrik mini; (d) memasok listrik untuk peralatan kosmetik; (e) di bawah kondisi deformasi yang berbeda, baterai fleksibel memasok daya untuk ponsel cerdas.

Ringkasan dan pandangan

Singkatnya, artikel ini terinspirasi oleh struktur sendi manusia. Ini mengusulkan metode desain yang unik untuk membuat baterai fleksibel dengan kepadatan energi tinggi, beberapa deformabilitas, dan daya tahan. Dibandingkan dengan LIB fleksibel tradisional, desain baru ini dapat secara efektif menghindari deformasi plastis dari kolektor logam saat ini. Pada saat yang sama, permukaan melengkung yang dicadangkan di kedua ujung unit penyimpanan energi yang dirancang dalam makalah ini dapat secara efektif menghilangkan tegangan lokal dari komponen yang saling berhubungan. Selain itu, metode penggulungan yang berbeda dapat mengubah bentuk tumpukan, sehingga memberikan daya deformasi yang cukup pada baterai. Baterai fleksibel menunjukkan stabilitas siklus dan ketahanan mekanis yang sangat baik berkat desain baru dan memiliki prospek aplikasi yang luas dalam berbagai produk elektronik yang fleksibel dan dapat dikenakan.

tautan literatur

Desain struktural yang diilhami sendi manusia untuk baterai yang dapat ditekuk / dilipat / diregangkan / diputar: mencapai beberapa deformabilitas. (Lingkungan Energi. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)

tutup_putih
menutup penjualan

Tulis pertanyaan di sini

membalas dalam waktu 6 jam, pertanyaan dipersilakan!