Hong Kong CityU EES: Betri inayoweza kubadilika ya lithiamu-ioni iliyochochewa na viungo vya binadamu

Historia ya Utafiti

Kuongezeka kwa mahitaji ya bidhaa za kielektroniki kumekuza maendeleo ya haraka ya vifaa vinavyonyumbulika na vyenye msongamano wa juu wa nishati katika miaka ya hivi karibuni. Betri za ioni za lithiamu zinazobadilika (LIB) zilizo na msongamano wa juu wa nishati na utendakazi thabiti wa kielektroniki huchukuliwa kuwa teknolojia ya betri inayoahidi zaidi kwa bidhaa za kielektroniki zinazoweza kuvaliwa. Ingawa utumiaji wa elektroni za filamu-nyembamba na elektroni zenye msingi wa polima huboresha sana unyumbulifu wa LIBs, kuna matatizo yafuatayo:

(1) Betri nyingi zinazonyumbulika hupangwa kwa "electrode hasi-separator-positive electrode," na ulemavu wao mdogo na utelezi kati ya rafu za safu nyingi huzuia utendakazi wa jumla wa LIB;

(2) Chini ya hali zingine kali zaidi, kama vile kukunja, kunyoosha, kukunja na mgeuko changamano, haiwezi kuhakikisha utendakazi wa betri;

(3) Sehemu ya mkakati wa kubuni inapuuza deformation ya mtoza chuma wa sasa.

Kwa hivyo, kufikia wakati huo huo pembe yake kidogo ya kupinda, njia nyingi za ugeuzaji, uimara wa hali ya juu wa kimitambo, na msongamano mkubwa wa nishati bado kunakabiliwa na changamoto nyingi.

kuanzishwa

Hivi majuzi, Profesa Chunyi Zhi na Dk. Cuiping Han wa Chuo Kikuu cha Jiji la Hong Kong walichapisha karatasi yenye kichwa "Muundo wa kimuundo uliohamasishwa wa binadamu kwa betri inayoweza kupinda/kukunja/kunjuka/kusokota: kufikia ulemavu mwingi" kwenye Nishati Mazingira. Sayansi. Kazi hii iliongozwa na muundo wa viungo vya binadamu na ilitengeneza aina ya LIB zinazobadilika sawa na mfumo wa pamoja. Kulingana na muundo huu wa riwaya, betri iliyotayarishwa, inayoweza kunyumbulika inaweza kufikia msongamano wa juu wa nishati na kuinama au hata kukunjwa kwa 180°. Wakati huo huo, muundo wa kimuundo unaweza kubadilishwa kwa njia tofauti za vilima ili LIB zinazobadilika ziwe na uwezo mkubwa wa deformation, zinaweza kutumika kwa deformation kali zaidi na ngumu (vilima na kupotosha), na inaweza hata kunyoosha, na uwezo wao wa deformation ni. mbali zaidi ya ripoti za awali za LIB zinazonyumbulika. Uchanganuzi kamili wa uigaji wa kipengele ulithibitisha kuwa betri iliyoundwa katika karatasi hii haitapitia ugeuzi wa plastiki usioweza kutenduliwa wa kikusanya chuma cha sasa chini ya utengano mkali na changamano. Wakati huo huo, betri ya kitengo cha mraba iliyokusanywa inaweza kufikia msongamano wa nishati hadi 371.9 Wh/L, ambayo ni 92.9% ya betri ya kawaida ya pakiti laini. Kwa kuongeza, inaweza kudumisha utendakazi thabiti wa mzunguko hata baada ya zaidi ya mara 200,000 za kupinda kwa nguvu na mara 25,000 za upotoshaji wa nguvu.

Utafiti zaidi unaonyesha kuwa seli ya kitengo cha silinda iliyokusanyika inaweza kuhimili kasoro kali zaidi na ngumu. Baada ya kunyoosha zaidi ya 100,000, misokoto 20,000, na ulemavu wa kupinda 100,000, bado inaweza kufikia uwezo wa juu wa zaidi ya 88%—kiwango cha kubaki. Kwa hivyo, LIB zinazonyumbulika zilizopendekezwa katika karatasi hii hutoa matarajio makubwa ya matumizi ya vitendo katika vifaa vya elektroniki vinavyoweza kuvaliwa.

Mambo muhimu ya utafiti

1) LIB zinazonyumbulika, zilizochochewa na viungo vya binadamu, zinaweza kudumisha utendaji thabiti wa mzunguko chini ya kupinda, kukunja, kunyoosha, na ulemavu wa vilima;

(2) Ikiwa na betri ya mraba inayonyumbulika, inaweza kufikia msongamano wa nishati wa hadi 371.9 Wh/L, ambayo ni 92.9% ya betri ya kawaida ya pakiti laini;

(3) Mbinu tofauti za kukunja zinaweza kubadilisha umbo la rundo la betri na kuipa betri ulemavu wa kutosha.

Mwongozo wa picha

Utafiti umeonyesha kuwa, pamoja na kuhakikisha wiani wa juu wa nishati na deformation ngumu zaidi, muundo wa muundo lazima pia uepuke deformation ya plastiki ya mtozaji wa sasa. Uigaji wa kipengele cha mwisho unaonyesha kuwa njia bora ya mkusanyaji wa sasa inapaswa kuwa kuzuia mtozaji wa sasa kuwa na radius ndogo ya kupiga wakati wa mchakato wa kupiga ili kuepuka deformation ya plastiki na uharibifu usioweza kurekebishwa wa mtozaji wa sasa.

Mchoro 1a unaonyesha muundo wa viungo vya binadamu, ambamo muundo wa uso uliopinda kwa werevu husaidia viungo kuzunguka vizuri. Kulingana na hili, Mchoro 1b unaonyesha anodi ya kawaida ya grafiti ya anodi/diaphragm/lithium cobaltate (LCO), ambayo inaweza kuunganishwa kwenye muundo wa mrundikano wa mraba nene. Katika makutano, ina misururu miwili nene ngumu na sehemu inayonyumbulika. Muhimu zaidi, rundo nene lina uso uliopinda sawa na kifuniko cha mfupa wa pamoja, ambayo husaidia shinikizo la bafa na kutoa uwezo wa msingi wa betri inayonyumbulika. Sehemu ya elastic hufanya kama ligament, inayounganisha safu nene na kutoa kubadilika (Mchoro 1c). Mbali na kupiga ndani ya rundo la mraba, betri zilizo na seli za silinda au triangular pia zinaweza kutengenezwa kwa kubadilisha njia ya vilima (Mchoro 1d). Kwa LIB zinazonyumbulika zilizo na vitengo vya uhifadhi wa nishati ya mraba, sehemu zilizounganishwa zitazunguka kwenye uso wa umbo la arc wa mrundikano nene wakati wa mchakato wa kupinda (Mchoro 1e), na hivyo kuongeza kwa kiasi kikubwa msongamano wa nishati ya betri inayoweza kunyumbulika. Kwa kuongeza, kwa njia ya encapsulation elastic polymer, LIBs flexible na vitengo cylindrical inaweza kufikia sifa kunyoosha na rahisi (Mchoro 1f).

Kielelezo 1 (a) Muundo wa uunganisho wa kano ya kipekee na uso uliopinda ni muhimu ili kufikia kunyumbulika; (b) Mchoro wa mpangilio wa muundo wa betri unaonyumbulika na mchakato wa utengenezaji; (c) mfupa unalingana na mrundikano mzito wa elektrodi, na ligamenti inalingana na iliyofunuliwa (D) muundo wa betri unaobadilika na seli za silinda na pembe tatu; (e) Kuweka mchoro wa mpangilio wa seli za mraba; (f) Kunyoosha deformation ya seli silinda.

Matumizi zaidi ya uchanganuzi wa uigaji wa mitambo yalithibitisha uthabiti wa muundo wa betri unaonyumbulika. Mchoro wa 2a unaonyesha mgawanyiko wa mkazo wa karatasi ya shaba na alumini inapopindishwa ndani ya silinda (radian 180°). Matokeo yanaonyesha kwamba dhiki ya foil ya shaba na alumini ni ya chini sana kuliko nguvu zao za mavuno, zinaonyesha kuwa deformation hii haiwezi kusababisha deformation ya plastiki. Mtoza chuma wa sasa anaweza kuepuka uharibifu usioweza kurekebishwa.

Kielelezo 2b kinaonyesha usambazaji wa dhiki wakati kiwango cha kupiga kinaongezeka zaidi, na mkazo wa foil ya shaba na karatasi ya alumini pia ni chini ya nguvu zao za mavuno zinazofanana. Kwa hiyo, muundo unaweza kuhimili deformation ya kukunja wakati wa kudumisha uimara mzuri. Mbali na deformation ya kupiga, mfumo unaweza kufikia kiwango fulani cha kupotosha (Mchoro 2c).

Kwa betri zilizo na vitengo vya silinda, kwa sababu ya tabia ya asili ya duara, inaweza kufikia deformation kali zaidi na ngumu. Kwa hiyo, wakati betri inakunjwa hadi 180o (Kielelezo 2d, e), iliyonyoshwa hadi karibu 140% ya urefu wa awali (Kielelezo 2f), na kusokotwa hadi 90o (Mchoro 2g), inaweza kudumisha utulivu wa mitambo. Kwa kuongeza, wakati wa kupiga + kupotosha na deformation ya vilima inatumiwa tofauti, muundo wa LIBs iliyoundwa hautasababisha deformation ya plastiki isiyoweza kurekebishwa ya mtozaji wa chuma wa sasa chini ya uharibifu mbalimbali kali na ngumu.

Kielelezo 2 (ac) Matokeo ya uigaji wa kipengele cha mwisho cha seli ya mraba chini ya kupinda, kukunja na kujipinda; (di) Matokeo ya uigaji wa kipengele cha mwisho cha seli ya silinda chini ya kupinda, kukunja, kunyoosha, kupinda, kupinda + na kujikunja.

Ili kutathmini utendakazi wa kielektroniki wa betri inayoweza kunyumbulika iliyoundwa, LiCoO2 ilitumiwa kama nyenzo ya kathodi ili kupima uwezo wa kutokeza na uthabiti wa mzunguko. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a, uwezo wa kutokwa kwa betri iliyo na seli za mraba haupunguki sana baada ya ndege kuharibika ili kuinama, kupigia, kukunjwa, na kusokotwa kwa ukuzaji wa 1 C, ambayo inamaanisha kuwa deformation ya mitambo haitasababisha muundo wa betri inayoweza kunyumbulika kuwa ya kielektroniki Utendaji hushuka. Hata baada ya kuinama kwa nguvu (Kielelezo 3c, d) na msokoto wa nguvu (Mchoro 3e, f), na baada ya idadi fulani ya mizunguko, jukwaa la kuchaji na kutokwa na utendaji wa mzunguko mrefu hauna mabadiliko dhahiri, ambayo inamaanisha kuwa muundo wa ndani wa betri inalindwa vizuri.

Mchoro 3 (a) Jaribio la malipo na kutokwa kwa betri ya kitengo cha mraba chini ya 1C; (b) Chaji na kutokwa curve chini ya hali tofauti; (c, d) Chini ya kupinda kwa nguvu, utendakazi wa mzunguko wa betri na chaji inayolingana na mkondo wa kutokeza; (e, f) Chini ya msokoto unaobadilika, utendakazi wa mzunguko wa betri na mkondo unaolingana wa kutokwa kwa chaji chini ya mizunguko tofauti.

Matokeo ya uchanganuzi wa uigaji yanaonyesha kuwa kutokana na sifa asili za mduara, LIB zinazonyumbulika zilizo na vipengele vya silinda zinaweza kustahimili kasoro zilizokithiri zaidi na ngumu. Kwa hiyo, ili kuonyesha utendaji wa electrochemical wa LIBs rahisi ya kitengo cha cylindrical, mtihani ulifanyika kwa kiwango cha 1 C, ambayo ilionyesha kuwa wakati betri inapitia uharibifu mbalimbali, kuna karibu hakuna mabadiliko katika utendaji wa electrochemical. Deformation haitasababisha mzunguko wa voltage kubadilika (Mchoro 4a, b).

Ili kutathmini zaidi uthabiti wa kielektroniki wa kielektroniki wa betri ya silinda na uimara wa mitambo, iliweka betri kwenye jaribio la upakiaji wa kiotomatiki unaobadilika kwa kiwango cha 1 C. Utafiti unaonyesha kuwa baada ya kunyoosha kwa nguvu (Mchoro 4c, d), msokoto wa nguvu (Mchoro 4e, f) , na kujipinda kwa nguvu + msokoto (Mchoro 4g, h), utendakazi wa mzunguko wa kutokwa kwa malipo ya betri na mkondo wa voltage unaolingana hauathiriwi. Kielelezo 4i kinaonyesha utendakazi wa betri yenye kitengo cha kuhifadhi nishati ya rangi. Uwezo wa kutokwa huharibika kutoka 133.3 mAm g-1 hadi 129.9 mAh g-1, na kupoteza uwezo kwa kila mzunguko ni 0.04% tu, kuonyesha kwamba deformation haitaathiri utulivu wake wa mzunguko na uwezo wa kutokwa.

Mchoro 4 (a) Jaribio la mzunguko wa malipo na kutokwa kwa usanidi tofauti wa seli za silinda katika 1 C; (b) Chaji inayolingana na mikondo ya kutoa chaji ya betri chini ya hali tofauti; (c, d) Utendaji wa mzunguko na chaji ya betri chini ya mvutano unaobadilika Mkondo wa kutokeza; (e, f) utendakazi wa mzunguko wa betri chini ya msokoto unaobadilika na mkunjo unaolingana wa kutokwa kwa chaji chini ya mizunguko tofauti; (g, h) utendakazi wa mzunguko wa betri chini ya kupinda kwa nguvu + msokoto na mkondo unaolingana wa kutokwa kwa chaji chini ya mizunguko tofauti; (I) Jaribio la kuchaji na kutoa betri za prismatic unit zilizo na usanidi tofauti katika 1 C.

Ili kutathmini utumiaji wa betri inayoweza kunyumbulika kimatendo, mwandishi hutumia betri kamili zilizo na aina tofauti za vitengo vya kuhifadhi nishati ili kuwasha baadhi ya bidhaa za kibiashara za kielektroniki, kama vile spika za masikioni, saa mahiri, feni ndogo za umeme, ala za vipodozi na simu mahiri. Zote mbili zinatosha kwa matumizi ya kila siku, zinajumuisha kikamilifu uwezo wa utumizi wa bidhaa mbalimbali za kielektroniki zinazonyumbulika na kuvalika.

Mchoro wa 5 unatumia betri iliyoundwa kwenye spika za masikioni, saa mahiri, feni ndogo za umeme, vifaa vya urembo na simu mahiri. Betri inayoweza kunyumbulika hutoa nguvu kwa (a) vipokea sauti vya masikioni, (b) saa mahiri, na (c) feni ndogo za umeme; (d) hutoa nguvu kwa vifaa vya urembo; (e) chini ya hali tofauti za ulemavu, betri inayonyumbulika hutoa nishati kwa simu mahiri.

Muhtasari na mtazamo

Kwa muhtasari, makala hii imeongozwa na muundo wa viungo vya binadamu. Inapendekeza mbinu ya kipekee ya kutengeneza betri inayoweza kunyumbulika yenye msongamano mkubwa wa nishati, ulemavu mwingi na uimara. Ikilinganishwa na LIB za kitamaduni zinazonyumbulika, muundo huu mpya unaweza kuzuia ubadilikaji wa plastiki wa mtoza chuma wa sasa. Wakati huo huo, nyuso zilizopinda zimehifadhiwa katika ncha zote mbili za kitengo cha kuhifadhi nishati iliyoundwa katika karatasi hii zinaweza kupunguza kwa ufanisi mkazo wa ndani wa vipengele vilivyounganishwa. Kwa kuongeza, mbinu tofauti za vilima zinaweza kubadilisha sura ya stack, kutoa betri ulemavu wa kutosha. Betri inayonyumbulika huonyesha uthabiti bora wa mzunguko na uimara wa mitambo kutokana na muundo mpya na ina matarajio makubwa ya matumizi katika bidhaa mbalimbali za kielektroniki zinazonyumbulika na kuvalika.

Kiungo cha fasihi

Muundo wa muundo wa kibinadamu ulioongozwa na pamoja kwa betri inayoweza kupinda/kukunja/kunyooshwa/kusokota: kufikia ulemavu mwingi. (Mazingira ya Nishati. Sayansi., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)