Ilu Hong Kong CityU EES: Batiri lithium-ion rọ ti o ni atilẹyin nipasẹ awọn isẹpo eniyan

Iwadi Lẹhin

Ibeere ti o pọ si fun awọn ọja itanna ti ṣe igbega idagbasoke iyara ti irọrun ati awọn ẹrọ ibi-itọju iwuwo-agbara ni awọn ọdun aipẹ. Awọn batiri ion litiumu rọ (LIBs) pẹlu iwuwo agbara giga ati iṣẹ ṣiṣe eletiriki iduroṣinṣin ni a gba pe imọ-ẹrọ batiri ti o ni ileri julọ fun awọn ọja itanna ti o wọ. Botilẹjẹpe lilo awọn amọna-fiimu tinrin ati awọn amọna ti o da lori polima ni ilọsiwaju ni irọrun ti LIBs, awọn iṣoro wọnyi wa:

(1) Pupọ julọ awọn batiri ti o ni irọrun ti wa ni tolera nipasẹ “electrode-separator-positive elekiturodu odi,” ati idinku ti o lopin ati yiyọ kuro laarin awọn akopọ multilayer ṣe ihamọ iṣẹ gbogbogbo ti LIBs;

(2) Labẹ awọn ipo ti o le diẹ sii, gẹgẹbi kika, nina, yiyi, ati abuku idiju, ko le ṣe iṣeduro iṣẹ batiri;

(3) Apá ti awọn oniru nwon.Mirza foju awọn abuku ti awọn ti isiyi irin-odè.

Nitorinaa, ni igbakanna iyọrisi igun titọ diẹ, awọn ipo abuku pupọ, agbara ẹrọ ti o ga julọ, ati iwuwo agbara giga tun dojukọ ọpọlọpọ awọn italaya.

ifihan

Laipe yii, Ọjọgbọn Chunyi Zhi ati Dokita Cuiping Han ti Ilu Yunifasiti Ilu ti Ilu Họngi Kọngi ṣe atẹjade iwe kan ti o ni ẹtọ ni “itumọ igbekalẹ apapọ eniyan ti o ni atilẹyin fun batiri bendable/foldable/stretchable/twistable: iyọrisi idibajẹ pupọ” lori Agbara Ayika. Sci. Iṣẹ yii ni atilẹyin nipasẹ ọna ti awọn isẹpo eniyan ati ṣe apẹrẹ iru awọn LIBs ti o rọ ti o jọra si eto apapọ. Da lori apẹrẹ aramada yii, ti pese sile, batiri to rọ le ṣaṣeyọri iwuwo agbara giga ati tẹ tabi paapaa ṣe pọ ni 180 °. Ni akoko kanna, eto igbekalẹ le yipada nipasẹ awọn ọna yikaka oriṣiriṣi ki awọn LIBs to rọ ni awọn agbara abuku ọlọrọ, le ṣee lo si awọn abuku ti o nira pupọ ati eka (yiyi ati yiyi), ati paapaa le na, ati awọn agbara abuku wọn jẹ. jina ju ti tẹlẹ iroyin ti rọ LIBs. Atupalẹ kikopa eroja ti o pari jẹri pe batiri ti a ṣe apẹrẹ ninu iwe yii kii yoo farada abuku ṣiṣu ti ko le yipada ti olugba irin lọwọlọwọ labẹ ọpọlọpọ awọn abuku lile ati eka. Ni akoko kanna, batiri ẹyọ onigun mẹrin ti a pejọ le ṣaṣeyọri iwuwo agbara ti o to 371.9 Wh/L, eyiti o jẹ 92.9% ti batiri idii asọ ti aṣa. Ni afikun, o le ṣetọju iṣẹ ṣiṣe ọmọ iduroṣinṣin paapaa lẹhin diẹ sii ju awọn akoko 200,000 ti atunse agbara ati awọn akoko 25,000 ti ipalọlọ agbara.

Iwadi siwaju sii fihan pe sẹẹli ẹyọ iyipo ti o ṣajọpọ le duro lewu diẹ sii ati awọn abuku idiju. Lẹhin diẹ sii ju 100,000 awọn irọra ti o ni agbara, 20,000 twists, ati 100,000 awọn abuku atunse, o tun le ṣaṣeyọri agbara giga ti diẹ sii ju 88% - oṣuwọn idaduro. Nitorinaa, awọn LIBs rọ ti a dabaa ninu iwe yii n pese ifojusọna nla fun awọn ohun elo ti o wulo ni ẹrọ itanna wearable.

Awọn ifojusi iwadii

1) Awọn LIBs ti o ni irọrun, ti o ni atilẹyin nipasẹ awọn isẹpo eniyan, le ṣe itọju iṣẹ-ṣiṣe ti o ni idaduro ti o wa ni ipilẹ labẹ fifun, yiyi, fifẹ, ati awọn idibajẹ gbigbọn;

(2) Pẹlu batiri rọ onigun mẹrin, o le ṣaṣeyọri iwuwo agbara ti o to 371.9 Wh / L, eyiti o jẹ 92.9% ti batiri asọ-pack ibile;

(3) Awọn ọna yikaka oriṣiriṣi le yi apẹrẹ ti akopọ batiri pada ki o fun batiri naa ni idibajẹ to.

Itọsọna ayaworan

Iwadi ti fihan pe, ni afikun si aridaju iwuwo agbara iwọn didun giga ati abuku eka diẹ sii, apẹrẹ igbekalẹ gbọdọ tun yago fun abuku ṣiṣu ti olugba lọwọlọwọ. Simulation ano ti o pari fihan pe ọna ti o dara julọ ti olugba lọwọlọwọ yẹ ki o jẹ lati ṣe idiwọ olugba lọwọlọwọ lati ni radius atunse kekere lakoko ilana atunse lati yago fun ibajẹ ṣiṣu ati ibajẹ ti ko ni iyipada ti olugba lọwọlọwọ.

Nọmba 1a ṣe afihan ọna ti awọn isẹpo eniyan, ninu eyiti apẹrẹ oju ilẹ ti o ni oye ti o tobi ju ṣe iranlọwọ fun awọn isẹpo lati yiyi laisiyonu. Da lori eyi, olusin 1b fihan a aṣoju lẹẹdi anode / diaphragm / lithium kobaltate (LCO) anode, eyi ti o le wa ni egbo sinu kan square nipọn akopọ be. Ni ipade ọna, o ni awọn akopọ lile meji ti o nipọn ati apakan ti o rọ. Ti o ṣe pataki julọ, akopọ ti o nipọn ni aaye ti o tẹ ni deede si ideri egungun apapọ, eyiti o ṣe iranlọwọ fun titẹ ifipamọ ati pese agbara akọkọ ti batiri to rọ. Apakan rirọ n ṣiṣẹ bi ligamenti, sisopọ awọn akopọ ti o nipọn ati pese irọrun (Nọmba 1c). Ni afikun si yiyi sinu opoplopo onigun mẹrin, awọn batiri ti o ni iyipo tabi awọn sẹẹli onigun mẹta tun le ṣe nipasẹ yiyipada ọna yikaka (Ọpọlọpọ 1d). Fun awọn LIB ti o rọ pẹlu awọn iwọn ibi ipamọ agbara onigun mẹrin, awọn apakan ti o ni asopọ yoo yipo lẹgbẹẹ oju-ara ti arc ti akopọ ti o nipọn lakoko ilana atunse (Eya 1e), nitorinaa ni pataki jijẹ iwuwo agbara ti batiri to rọ. Ni afikun, nipasẹ rirọ polima encapsulation, rọ LIBs pẹlu cylindrical sipo le se aseyori stretchable ati rọ-ini (Nọmba 1f).

Ṣe nọmba 1 (a) Awọn apẹrẹ ti asopọ ligamenti ọtọtọ ati aaye ti o tẹ jẹ pataki lati ṣe aṣeyọri irọrun; (b) Aworan atọka ti eto batiri rọ ati ilana iṣelọpọ; (c) egungun ni ibamu si akopọ elekiturodu nipon, ati ligamenti ni ibamu si unrolled (D) Eto batiri ti o rọ pẹlu awọn sẹẹli iyipo ati awọn sẹẹli onigun mẹta; (e) Stacking sikematiki aworan atọka ti square ẹyin; (f) Nina abuku ti awọn sẹẹli iyipo.

Lilo siwaju sii ti iṣiro kikopa ẹrọ ṣe idaniloju iduroṣinṣin ti eto batiri to rọ. Olusin 2a fihan pinpin wahala ti bàbà ati bankanje aluminiomu nigba ti tẹ sinu silinda (180 ° radian). Awọn abajade fihan pe aapọn ti bàbà ati bankanje aluminiomu kere pupọ ju agbara ikore wọn lọ, ti o nfihan pe abuku yii kii yoo fa ibajẹ ṣiṣu. Awọn ti isiyi irin-odè le yago fun irreversible bibajẹ.

Olusin 2b fihan pinpin wahala nigbati iwọn ti atunse ti pọ si, ati aapọn ti bankanje bàbà ati bankanje aluminiomu tun kere ju agbara ikore ti o baamu. Nitorinaa, eto naa le ṣe idiwọ abuku kika lakoko mimu agbara to dara. Ni afikun si atunse abuku, eto naa le ṣaṣeyọri iwọn kan ti iparun (Figure 2c).

Fun awọn batiri pẹlu awọn iwọn iyipo, nitori awọn abuda ti o wa ninu Circle, o le ṣaṣeyọri diẹ sii àìdá ati abuku eka. Nitorina, nigbati batiri ba ti ṣe pọ si 180o (Figure 2d, e), ti a na si nipa 140% ti ipari atilẹba (Figure 2f), ati yiyi si 90o (Figure 2g), o le ṣetọju iduroṣinṣin ẹrọ. Ni afikun, nigbati atunse + fọn ati abuku yiyi ni a lo lọtọ, eto LIBs ti a ṣe apẹrẹ kii yoo fa abuku ṣiṣu ti ko le yipada ti olugba irin lọwọlọwọ labẹ ọpọlọpọ awọn abuku ati idiju.

Ṣe nọmba 2 (ac) Awọn abajade kikopa eroja ti o pari ti sẹẹli onigun mẹrin labẹ atunse, kika, ati lilọ; (di) Awọn abajade kikopa eroja ti o pari ti sẹẹli iyipo labẹ atunse, kika, nina, lilọ, atunse + lilọ ati yiyi.

Lati ṣe iṣiro iṣẹ elekitirokemika ti batiri rọ ti a ṣe apẹrẹ, a lo LiCoO2 bi ohun elo cathode lati ṣe idanwo agbara idasilẹ ati iduroṣinṣin ọmọ. Gẹgẹbi o ti han ni Nọmba 3a, agbara idasilẹ ti batiri pẹlu awọn sẹẹli onigun mẹrin ko dinku ni pataki lẹhin ti ọkọ ofurufu ti bajẹ lati tẹ, oruka, ti ṣe pọ, ati yiyi ni 1 C magnification, eyiti o tumọ si pe abuku ẹrọ kii yoo fa apẹrẹ ti awọn rọ batiri lati wa ni electrochemically Performance silė. Paapaa lẹhin atunse ti o ni agbara (olusin 3c, d) ati torsion ti o ni agbara (Figure 3e, f), ati lẹhin nọmba kan ti awọn akoko, pẹpẹ gbigba agbara ati gbigba agbara ati iṣẹ ṣiṣe gigun-gun ko ni awọn ayipada ti o han gbangba, eyiti o tumọ si pe eto inu ti batiri naa ni aabo daradara.

Ṣe nọmba 3 (a) Gbigba agbara ati idanwo idasilẹ ti batiri ẹyọ square labẹ 1C; (b) Gbigba agbara ati iṣipopada idasilẹ labẹ awọn ipo oriṣiriṣi; (c, d) Labẹ atunse ti o ni agbara, iṣẹ ṣiṣe iwọn batiri ati idiyele ti o baamu ati iṣipopada idasilẹ; (e, f) Labẹ ìmúdàgba torsion, awọn ọmọ iṣẹ ti batiri ati awọn ti o baamu idiyele-idasonu ti tẹ labẹ orisirisi awọn iyipo.

Awọn abajade onínọmbà kikopa fihan pe o ṣeun si awọn abuda inherent ti Circle, awọn LIBs rọ pẹlu awọn eroja iyipo le duro ni iwọn diẹ sii ati awọn abuku idiju. Nitorinaa, lati ṣe afihan iṣẹ ṣiṣe elekitirokemika ti awọn LIBs rọ ti ẹyọ iyipo, idanwo naa ni a ṣe ni iwọn 1 C, eyiti o fihan pe nigbati batiri naa ba ni ọpọlọpọ awọn abuku, ko fẹrẹ to iyipada ninu iṣẹ ṣiṣe elekitirokemika. Awọn abuku yoo ko fa awọn foliteji ti tẹ yi (Figure 4a, b).

Lati ṣe ayẹwo siwaju sii iṣiro elekitirokemika batiri iyipo ati iduroṣinṣin ẹrọ, o tẹ batiri naa si idanwo fifuye adaṣe adaṣe ni iwọn oṣuwọn 1 C. Iwadii fihan pe lẹhin isunmọ agbara (Aworan 4c, d), torsion ti o ni agbara (Figure 4e, f) , ati ìmúdàgba atunse + torsion (Figure 4g, h), batiri idiyele-sisun ọmọ išẹ ati awọn ti o baamu foliteji ti tẹ ko ba wa ni fowo. Nọmba 4i ṣe afihan iṣẹ ti batiri kan pẹlu ẹyọ ibi ipamọ agbara awọ. Agbara itusilẹ ti bajẹ lati 133.3 mAm g-1 si 129.9 mAh g-1, ati pipadanu agbara fun ọmọ kan jẹ 0.04% nikan, ti o nfihan pe abuku kii yoo ni ipa lori iduroṣinṣin ọmọ rẹ ati agbara idasilẹ.

Ṣe nọmba 4 (a) Gbigba agbara ati idanwo idanwo iyipo ti awọn atunto oriṣiriṣi ti awọn sẹẹli iyipo ni 1 C; (b) Awọn idiyele ti o baamu ati awọn iṣipopada ti batiri labẹ awọn ipo oriṣiriṣi; (c, d) Iṣẹ ṣiṣe ati idiyele ti batiri labẹ ẹdọfu ti o ni agbara ti Imujade Sisọjade; (e, f) iṣẹ-ṣiṣe ti batiri labẹ torsion ti o ni agbara ati idiyele idiyele ti o baamu labẹ awọn ọna oriṣiriṣi; (g, h) iṣẹ-ṣiṣe ti batiri ti o wa labẹ iyipada ti o ni agbara + torsion ati idiyele idiyele ti o baamu labẹ awọn oriṣiriṣi oriṣiriṣi; (I) Gbigba agbara ati idanwo idasilẹ ti awọn batiri ẹyọ prismatic pẹlu awọn atunto oriṣiriṣi ni 1 C.

Lati ṣe iṣiro ohun elo ti idagbasoke batiri to rọ ni iṣe, onkọwe nlo awọn batiri ni kikun pẹlu awọn oriṣi awọn ẹya ibi ipamọ agbara lati fi agbara diẹ ninu awọn ọja itanna ti iṣowo, gẹgẹbi awọn agbekọri, smartwatches, awọn onijakidijagan ina kekere, awọn ohun elo ikunra, ati awọn foonu smati. Mejeeji ni o to fun lilo lojoojumọ, ni kikun fi agbara ohun elo ti ọpọlọpọ awọn ọja itanna rọ ati wearable.

Nọmba 5 nlo batiri ti a ṣe apẹrẹ si awọn agbekọri, smartwatches, awọn onijakidijagan ina mọnamọna kekere, ohun elo ikunra, ati awọn fonutologbolori. Batiri rọ n pese agbara fun (a) agbekọri, (b) smartwatches, ati (c) awọn onijakidijagan ina mọnamọna kekere; (d) ipese agbara fun ohun elo ikunra; (e) labẹ awọn ipo abuku oriṣiriṣi, batiri rọ n pese agbara fun awọn fonutologbolori.

Akopọ ati iwoye

Ni akojọpọ, nkan yii jẹ atilẹyin nipasẹ ọna ti awọn isẹpo eniyan. O ṣeduro ọna apẹrẹ alailẹgbẹ fun iṣelọpọ batiri ti o rọ pẹlu iwuwo agbara giga, ibajẹ pupọ, ati agbara. Ti a ṣe afiwe pẹlu awọn LIBs rọ ibile, apẹrẹ tuntun yii le ni imunadoko lati yago fun abuku ṣiṣu ti olugba irin lọwọlọwọ. Ni akoko kanna, awọn oju-ilẹ ti o wa ni ipamọ ni awọn opin mejeeji ti ẹyọ ipamọ agbara ti a ṣe apẹrẹ ninu iwe yii le ṣe iranlọwọ ni imunadoko aapọn agbegbe ti awọn paati asopọ. Ni afikun, awọn ọna yikaka oriṣiriṣi le yi apẹrẹ ti akopọ pada, fifun batiri abuku to. Batiri rọ n ṣe afihan iduroṣinṣin ọmọ ti o dara julọ ati agbara ṣiṣe ẹrọ ọpẹ si apẹrẹ aramada ati pe o ni awọn ireti ohun elo lọpọlọpọ ni ọpọlọpọ awọn ọja itanna rọ ati aṣọ.

Litireso ọna asopọ

Apẹrẹ igbekalẹ apapọ eniyan ti o ni atilẹyin fun batiri bendable/foldable/stretchable/ayipada: iyọrisi idibajẹ pupọ. (Agbara ayika. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)