(function(w,d,s,l,i){w[l]=w[l]||[];w[l].push({'gtm.start': new Date().getTime() ,เหตุการณ์:'gtm.js'});var f=d.getElementsByTagName(s)[0], j=d.createElement(s),dl=l!='dataLayer'?'&l='+l:' ';j.async=true;j.src= 'https://www.googletagmanager.com/gtm.js?id='+i+dl;f.parentNode.insertBefore(j,f); })(หน้าต่าง ,เอกสาร,'สคริปต์','dataLayer','GTM-5FPJ7HX');
หน้าแรก / บล็อก / ความรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่ / Hong Kong CityU EES: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบยืดหยุ่นได้แรงบันดาลใจจากข้อต่อของมนุษย์

Hong Kong CityU EES: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบยืดหยุ่นได้แรงบันดาลใจจากข้อต่อของมนุษย์

15 ต.ค. , 2021

By hoppt

ประวัติการวิจัย

ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ส่งเสริมการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่มีความหนาแน่นและยืดหยุ่นสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบยืดหยุ่น (LIB) ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีที่เสถียรถือเป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ แม้ว่าการใช้อิเล็กโทรดแบบฟิล์มบางและอิเล็กโทรดแบบโพลีเมอร์จะช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นของ LIB ได้อย่างมาก แต่ก็มีปัญหาดังต่อไปนี้:

(1) แบตเตอรี่ที่มีความยืดหยุ่นส่วนใหญ่จะวางซ้อนกันโดย "อิเล็กโทรดขั้วลบ-ขั้วบวก-ขั้วบวก" และความสามารถในการเปลี่ยนรูปและการเลื่อนหลุดที่จำกัดระหว่างกองหลายชั้นจะจำกัดประสิทธิภาพโดยรวมของ LIB

(2) ภายใต้สภาวะที่รุนแรงมากขึ้น เช่น การพับ การยืด การม้วน และการเสียรูปที่ซับซ้อน ไม่สามารถรับประกันประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้

(3) ส่วนหนึ่งของกลยุทธ์การออกแบบละเว้นการเสียรูปของตัวสะสมโลหะในปัจจุบัน

ดังนั้นการทำมุมโค้งงอเล็กน้อยพร้อมกัน โหมดการเปลี่ยนรูปหลายโหมด ความทนทานเชิงกลที่เหนือกว่า และความหนาแน่นของพลังงานสูงจึงยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย

บทนำ

เมื่อเร็ว ๆ นี้ ศาสตราจารย์ Chunyi Zhi และ Dr. Cuiping Han จากมหาวิทยาลัย City University of Hong Kong ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง "Human joint Inspired การออกแบบโครงสร้างสำหรับแบตเตอรี่ที่งอได้/พับได้/ยืดได้/บิดได้: บรรลุความสามารถในการเปลี่ยนรูปได้หลายแบบ" เกี่ยวกับ Energy Environ วิทย์. งานนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างของข้อต่อของมนุษย์และออกแบบ LIB ที่ยืดหยุ่นได้คล้ายกับระบบข้อต่อ จากการออกแบบใหม่นี้ แบตเตอรี่ที่เตรียมและยืดหยุ่นได้นั้นมีความหนาแน่นของพลังงานสูงและงอหรือพับได้ที่ 180° ในเวลาเดียวกัน โครงสร้างโครงสร้างสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยใช้วิธีการม้วนแบบต่างๆ เพื่อให้ LIB ที่ยืดหยุ่นมีความสามารถในการเปลี่ยนรูปที่หลากหลาย สามารถนำไปใช้กับการเสียรูปที่รุนแรงและซับซ้อนมากขึ้น (การม้วนและการบิด) และสามารถยืดออกได้ ไกลเกินกว่ารายงานก่อนหน้าของ LIB ที่ยืดหยุ่นได้ การวิเคราะห์การจำลองแบบไฟไนต์เอลิเมนต์ยืนยันว่าแบตเตอรี่ที่ออกแบบในบทความนี้จะไม่เกิดการเสียรูปพลาสติกแบบเปลี่ยนกลับไม่ได้ของตัวสะสมโลหะในปัจจุบันภายใต้การเสียรูปที่รุนแรงและซับซ้อนต่างๆ ในเวลาเดียวกัน แบตเตอรี่แบบเหลี่ยมที่ประกอบแล้วสามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 371.9 Wh/L ซึ่งคิดเป็น 92.9% ของแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ยังสามารถรักษาประสิทธิภาพรอบการทำงานที่เสถียรแม้หลังจากการดัดโค้งแบบไดนามิกมากกว่า 200,000 ครั้งและการบิดเบือนแบบไดนามิก 25,000 เท่า

การวิจัยเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าเซลล์ยูนิตทรงกระบอกที่ประกอบเข้าด้วยกันสามารถทนต่อการเสียรูปที่รุนแรงและซับซ้อนมากขึ้น หลังจากการยืดแบบไดนามิกมากกว่า 100,000 ครั้ง การบิด 20,000 ครั้ง และการเปลี่ยนรูปแบบการดัดโค้ง 100,000 ครั้ง ยังคงสามารถบรรลุความจุที่สูงกว่า 88% — อัตราการรักษา ดังนั้น LIB แบบยืดหยุ่นที่เสนอในบทความนี้จึงเป็นโอกาสที่ดีสำหรับการใช้งานจริงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้

จุดเด่นของงานวิจัย

1) LIB ที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากข้อต่อของมนุษย์ สามารถรักษาสมรรถนะของวงจรให้คงที่ภายใต้การดัด การบิด การยืด และการบิดรูป

(2) ด้วยแบตเตอรี่ทรงสี่เหลี่ยมที่ยืดหยุ่นได้ สามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 371.9 Wh/L ซึ่งคิดเป็น 92.9% ของแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คแบบดั้งเดิม

(3) วิธีการม้วนแบบต่างๆ สามารถเปลี่ยนรูปร่างของกองแบตเตอรี่และทำให้แบตเตอรี่มีการเปลี่ยนรูปที่เพียงพอ

คู่มือกราฟิก

1. การออกแบบ LIBs แบบยืดหยุ่นไบโอนิคชนิดใหม่

การวิจัยแสดงให้เห็นว่า นอกเหนือจากการทำให้มั่นใจว่ามีความหนาแน่นของพลังงานในปริมาณสูงและการเปลี่ยนรูปที่ซับซ้อนมากขึ้นแล้ว การออกแบบโครงสร้างยังต้องหลีกเลี่ยงการเสียรูปพลาสติกของตัวเก็บประจุปัจจุบันด้วย การจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์แสดงให้เห็นว่าวิธีที่ดีที่สุดของตัวสะสมกระแสไฟควรป้องกันไม่ให้ตัวสะสมกระแสมีรัศมีการโค้งงอเล็กน้อยในระหว่างกระบวนการดัดเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปของพลาสติกและความเสียหายที่ไม่สามารถย้อนกลับของตัวสะสมกระแสไฟ

รูปที่ 1a แสดงโครงสร้างของข้อต่อของมนุษย์ ซึ่งการออกแบบพื้นผิวโค้งที่ใหญ่ขึ้นอย่างชาญฉลาดช่วยให้ข้อต่อหมุนได้อย่างราบรื่น จากสิ่งนี้ รูปที่ 1b แสดงแอโนดแกรไฟต์แอโนด/ไดอะแฟรม/ลิเธียมโคบอลเตต (LCO) ทั่วไป ซึ่งสามารถพันเป็นโครงสร้างกองซ้อนหนาสี่เหลี่ยม ที่ทางแยก ประกอบด้วยกองแข็งหนาสองกองและส่วนที่ยืดหยุ่นได้ ที่สำคัญกว่านั้น กองหนามีพื้นผิวโค้งมนเทียบเท่ากับฝาครอบกระดูกร่วม ซึ่งช่วยให้แรงดันบัฟเฟอร์และให้ความจุหลักของแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่น ส่วนที่ยืดหยุ่นได้ทำหน้าที่เป็นเอ็นที่เชื่อมต่อกองหนาและให้ความยืดหยุ่น (รูปที่ 1c) นอกจากการม้วนเป็นกองสี่เหลี่ยมแล้ว ยังสามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีเซลล์ทรงกระบอกหรือเซลล์สามเหลี่ยมได้ด้วยการเปลี่ยนวิธีการม้วน (รูปที่ 1d) สำหรับ LIB แบบยืดหยุ่นที่มีหน่วยเก็บพลังงานแบบสี่เหลี่ยม ส่วนที่เชื่อมต่อถึงกันจะม้วนไปตามพื้นผิวรูปโค้งของกองหนาในระหว่างกระบวนการดัด (รูปที่ 1e) ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นได้อย่างมาก นอกจากนี้ ผ่านการห่อหุ้มโพลีเมอร์แบบยืดหยุ่น LIB แบบยืดหยุ่นที่มีหน่วยทรงกระบอกสามารถบรรลุคุณสมบัติที่ยืดหยุ่นและยืดหยุ่นได้ (รูปที่ 1f)

รูปที่ 1 (a) การออกแบบการเชื่อมต่อเอ็นเฉพาะและพื้นผิวโค้งเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้เกิดความยืดหยุ่น (b) แผนผังของโครงสร้างแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่นและกระบวนการผลิต (c) กระดูกสอดคล้องกับกองอิเล็กโทรดที่หนาขึ้น และเอ็นสอดคล้องกับการคลาย (D) โครงสร้างแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่นพร้อมเซลล์ทรงกระบอกและสามเหลี่ยม (จ) แผนผังไดอะแกรมแบบซ้อนของเซลล์สี่เหลี่ยม (f) การเปลี่ยนรูปการยืดตัวของเซลล์ทรงกระบอก

2. การวิเคราะห์การจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์

การใช้การวิเคราะห์แบบจำลองทางกลเพิ่มเติมยืนยันความเสถียรของโครงสร้างแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่น รูปที่ 2a แสดงการกระจายความเค้นของทองแดงและอลูมิเนียมฟอยล์เมื่องอเป็นทรงกระบอก (เรเดียน 180°) ผลการวิจัยพบว่าความเค้นของฟอยล์ทองแดงและอลูมิเนียมมีค่าต่ำกว่าความแข็งแรงของผลผลิตมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าการเสียรูปจะไม่ทำให้เกิดการเสียรูปของพลาสติก ตัวสะสมโลหะในปัจจุบันสามารถหลีกเลี่ยงความเสียหายที่ไม่สามารถย้อนกลับได้

รูปที่ 2b แสดงการกระจายความเค้นเมื่อระดับการดัดงอเพิ่มขึ้นอีก และความเค้นของฟอยล์ทองแดงและฟอยล์อะลูมิเนียมก็น้อยกว่าความแข็งแรงของผลผลิตที่สอดคล้องกัน ดังนั้นโครงสร้างจึงสามารถทนต่อการบิดเบี้ยวในขณะที่ยังคงความทนทานได้ดี นอกจากการเปลี่ยนรูปการดัดแล้ว ระบบยังสามารถทำให้เกิดความผิดเพี้ยนในระดับหนึ่งได้ (รูปที่ 2c)

สำหรับแบตเตอรี่ที่มีหน่วยทรงกระบอก เนื่องจากลักษณะเฉพาะของวงกลมทำให้เกิดการเสียรูปที่รุนแรงและซับซ้อนมากขึ้น ดังนั้น เมื่อพับแบตเตอรี่ไปที่ 180o (รูปที่ 2d, e) โดยยืดออกประมาณ 140% ของความยาวเดิม (รูปที่ 2f) และบิดเป็น 90o (รูปที่ 2g) จะสามารถรักษาเสถียรภาพทางกลได้ นอกจากนี้ เมื่อใช้การแยกรูปแบบการดัด + การบิดและการม้วนงอ โครงสร้าง LIBs ที่ออกแบบไว้จะไม่ทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกแบบเปลี่ยนกลับไม่ได้ของตัวสะสมโลหะในปัจจุบันภายใต้การเสียรูปที่รุนแรงและซับซ้อนต่างๆ

รูปที่ 2 (ac) ผลการจำลององค์ประกอบไฟไนต์ของเซลล์สี่เหลี่ยมภายใต้การดัด การพับ และการบิด; (di) ผลการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของเซลล์ทรงกระบอกภายใต้การดัด การพับ การยืด การบิด การดัด + การบิดและการม้วน

3. ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของ LIB ที่ยืดหยุ่นของหน่วยเก็บพลังงานสี่เหลี่ยม

ในการประเมินประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นที่ออกแบบมา LiCoO2 ถูกใช้เป็นวัสดุแคโทดเพื่อทดสอบความสามารถในการคายประจุและความเสถียรของวงจร ดังแสดงในรูปที่ 3a ความจุการคายประจุของแบตเตอรี่ที่มีเซลล์สี่เหลี่ยมจัตุรัสจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากที่เครื่องบินเสียรูปเพื่อให้โค้งงอ วงแหวน พับ และบิดเบี้ยวด้วยกำลังขยาย 1 C ซึ่งหมายความว่าการเสียรูปทางกลจะไม่ทำให้เกิดการออกแบบ แบตเตอรีที่ยืดหยุ่นเป็นไฟฟ้าเคมี ประสิทธิภาพลดลง แม้หลังจากการดัดโค้งแบบไดนามิก (รูปที่ 3c, d) และแรงบิดแบบไดนามิก (รูปที่ 3e, f) และหลังจากรอบจำนวนหนึ่ง แท่นชาร์จและการคายประจุและประสิทธิภาพรอบยาวไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจน ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างภายในของ แบตเตอรี่ได้รับการปกป้องอย่างดี

รูปที่ 3 (a) การทดสอบการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสภายใต้ 1C; (b) เส้นประจุและการคายประจุภายใต้สภาวะที่ต่างกัน (c, d) ภายใต้การดัดงอแบบไดนามิก ประสิทธิภาพของวงจรแบตเตอรี่ และเส้นโค้งการชาร์จและการคายประจุที่สอดคล้องกัน (e, f) ภายใต้ไดนามิกทอร์ชัน ประสิทธิภาพของวงจรของแบตเตอรี่และเส้นกราฟการคายประจุที่สอดคล้องกันภายใต้รอบที่ต่างกัน

4. ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของ LIB แบบยืดหยุ่นของหน่วยเก็บพลังงานทรงกระบอก

ผลการวิเคราะห์การจำลองแสดงให้เห็นว่า ด้วยคุณลักษณะโดยธรรมชาติของวงกลม ทำให้ LIB ที่ยืดหยุ่นซึ่งมีองค์ประกอบทรงกระบอกสามารถทนต่อการเสียรูปที่รุนแรงและซับซ้อนมากขึ้น ดังนั้น เพื่อแสดงประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมีของ LIB แบบยืดหยุ่นของหน่วยทรงกระบอก การทดสอบได้ดำเนินการที่อัตรา 1 C ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อแบตเตอรี่ผ่านการเสียรูปต่างๆ แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงในประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมี การเสียรูปจะไม่ทำให้เส้นแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง (รูปที่ 4a, b)

เพื่อประเมินความเสถียรทางไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่ทรงกระบอกและความทนทานเชิงกลเพิ่มเติม แบตเตอรี่ต้องทดสอบโหลดอัตโนมัติแบบไดนามิกที่อัตรา 1 C การวิจัยแสดงให้เห็นว่าหลังจากการยืดแบบไดนามิก (ภาพที่ 4c, d) แรงบิดแบบไดนามิก (รูปที่ 4e, f) และการดัดงอแบบไดนามิก + แรงบิด (รูปที่ 4g, h) ประสิทธิภาพรอบการคายประจุของแบตเตอรี่และเส้นแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกันจะไม่ได้รับผลกระทบ รูปที่ 4i แสดงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่มีหน่วยเก็บพลังงานที่มีสีสัน ความสามารถในการคายประจุลดลงจาก 133.3 mAm g-1 เป็น 129.9 mAh g-1 และการสูญเสียความจุต่อรอบเพียง 0.04% ซึ่งบ่งชี้ว่าการเสียรูปจะไม่ส่งผลต่อความเสถียรของวงจรและความสามารถในการคายประจุ

รูปที่ 4 (a) การทดสอบรอบประจุและการปล่อยของโครงแบบต่างๆ ของเซลล์ทรงกระบอกที่ 1 C; (b) เส้นประจุและการคายประจุที่สอดคล้องกันของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน (c, d) ประสิทธิภาพของวงจรและการชาร์จแบตเตอรี่ภายใต้ความตึงแบบไดนามิก เส้นโค้งการปลดปล่อย; (e, f) ประสิทธิภาพรอบการทำงานของแบตเตอรี่ภายใต้ไดนามิกทอร์ชันและกราฟการคายประจุที่สอดคล้องกันภายใต้รอบที่แตกต่างกัน (g, h) ประสิทธิภาพรอบการทำงานของแบตเตอรี่ภายใต้การดัดงอแบบไดนามิก + แรงบิดและเส้นโค้งการคายประจุที่สอดคล้องกันภายใต้รอบที่แตกต่างกัน (I) การทดสอบการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ยูนิตแบบแท่งปริซึมที่มีการกำหนดค่าต่างกันที่ 1 C

5. การใช้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและสวมใส่ได้

ในการประเมินการประยุกต์ใช้แบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นที่พัฒนาขึ้นในทางปฏิบัติ ผู้เขียนใช้แบตเตอรี่เต็มรูปแบบกับหน่วยเก็บพลังงานประเภทต่างๆ เพื่อจ่ายพลังงานให้กับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์บางอย่าง เช่น หูฟัง สมาร์ทวอทช์ พัดลมไฟฟ้าขนาดเล็ก เครื่องมือเครื่องสำอาง และสมาร์ทโฟน ทั้งสองอย่างเพียงพอสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน โดยรวบรวมศักยภาพการใช้งานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและสวมใส่ได้ต่างๆ อย่างเต็มที่

รูปที่ 5 ใช้แบตเตอรี่ที่ออกแบบไว้กับหูฟัง สมาร์ทวอทช์ พัดลมไฟฟ้าขนาดเล็ก อุปกรณ์เครื่องสำอาง และสมาร์ทโฟน แบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นจ่ายไฟให้กับ (a) หูฟัง (b) smartwatches และ (c) พัดลมไฟฟ้าขนาดเล็ก (ง) จัดหาพลังงานสำหรับอุปกรณ์เครื่องสำอาง (จ) ภายใต้สภาวะการเปลี่ยนรูปที่แตกต่างกัน แบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นได้จ่ายพลังงานให้กับสมาร์ทโฟน

สรุปและแนวโน้ม

โดยสรุปบทความนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างของข้อต่อของมนุษย์ เสนอวิธีการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับการผลิตแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่นซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ความสามารถในการเปลี่ยนรูปได้หลายแบบ และความทนทาน เมื่อเทียบกับ LIB แบบยืดหยุ่นแบบดั้งเดิม การออกแบบใหม่นี้สามารถหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนรูปพลาสติกของตัวสะสมโลหะในปัจจุบันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในเวลาเดียวกัน พื้นผิวโค้งที่สงวนไว้ที่ปลายทั้งสองของหน่วยเก็บพลังงานที่ออกแบบในบทความนี้ สามารถบรรเทาความเครียดในท้องถิ่นของส่วนประกอบที่เชื่อมต่อถึงกันได้ นอกจากนี้ วิธีการม้วนแบบต่างๆ สามารถเปลี่ยนรูปร่างของปึกได้ ทำให้แบตเตอรี่มีการเปลี่ยนรูปที่เพียงพอ แบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่นได้แสดงความเสถียรของวงจรที่ยอดเยี่ยมและความทนทานทางกล ด้วยการออกแบบที่แปลกใหม่และมีแนวโน้มในการใช้งานที่กว้างขวางในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและสวมใส่ได้ต่างๆ

ลิงค์วรรณกรรม

การออกแบบโครงสร้างที่ได้แรงบันดาลใจจากมนุษย์สำหรับแบตเตอรี่ที่งอได้/พับได้/ยืดได้/บิดได้: ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวได้หลายแบบ (สิ่งแวดล้อมด้านพลังงาน วิทย์., 2021 ดอย: 10.1039/D1EE00480H)

close_white
ปิดการขาย

เขียนคำถามที่นี่

ตอบกลับภายใน 6 ชั่วโมง ยินดีต้อนรับทุกคำถาม!