Hong Kong CityU EES: Bataraidh lithium-ion sùbailte air a bhrosnachadh le joints daonna

Cùl-fhiosrachadh Rannsachaidh

Tha an t-iarrtas a tha a’ sìor fhàs airson toraidhean dealanach air adhartachadh luath air leasachadh innealan stòraidh sùbailte agus àrd-lùth anns na bliadhnachan mu dheireadh. Bataraidhean lithium-ion sùbailte (LIBn) le dùmhlachd lùth àrd agus coileanadh electroceimiceach seasmhach air a mheas mar an teicneòlas bataraidh as gealltanach airson toraidhean dealanach so-ruigsinneach. Ged a tha cleachdadh electrodan film tana agus electrodan stèidhichte air polymer gu mòr a’ leasachadh sùbailteachd LIBn, tha na duilgheadasan a leanas ann:

(1) Tha a’ mhòr-chuid de bhataraidhean sùbailte air an cruachadh le “electrode àicheil electrode-separator-positive,” agus tha an deformability cuibhrichte agus an sleamhnachadh eadar cruachan ioma-fhilleadh a ’cuingealachadh coileanadh iomlan LIBn;

(2) Fo chuid de shuidheachaidhean nas cruaidhe, leithid pasgadh, sìneadh, lùbach agus deformachadh iom-fhillte, chan urrainn dha coileanadh bataraidh a ghealltainn;

(3) Tha pàirt den ro-innleachd dealbhaidh a’ seachnadh deformachadh an neach-cruinneachaidh meatailt gnàthach.

Mar sin, aig an aon àm a bhith a’ coileanadh a ceàrn lùbte beag, ioma-mhodhan deformation, seasmhachd meacanaigeach nas fheàrr, agus dùmhlachd lùth àrd tha mòran dhùbhlain fhathast mu choinneimh.

Ro-ràdh

O chionn ghoirid, dh’ fhoillsich an t-Àrd-ollamh Chunyi Zhi agus an t-Oll. Cuiping Han bho Oilthigh Cathair-bhaile Hong Kong pàipear leis an tiotal “Dealbhadh structarail co-bhrosnaichte daonna airson bataraidh lùbte / paisgte / sìnte / so-ruigsinneach: a’ coileanadh iomadach deformability ”air Energy Environ. Sci. Chaidh an obair seo a bhrosnachadh le structar joints daonna agus dhealbhaich i seòrsa de LIBn sùbailte coltach ris an t-siostam co-phàirteach. Stèidhichte air an dealbhadh ùr-nodha seo, faodaidh am bataraidh sùbailte, ullaichte dùmhlachd lùth àrd a choileanadh agus a bhith air a lùbadh no eadhon air a phasgadh aig 180 °. Aig an aon àm, faodar an structar structarail atharrachadh tro dhiofar dhòighean lùbach gus am bi comasan deformation beairteach aig LIBn sùbailte, faodar an cur an sàs ann an deformations nas cruaidhe agus iom-fhillte (lùbach is toinneamh), agus faodar eadhon a shìneadh, agus tha na comasan deformation aca. fada nas fhaide na aithisgean roimhe mu LIBn sùbailte. Dhearbh mion-sgrùdadh atharrais eileamaidean crìochnaichte nach deidheadh ​​​​a’ bhataraidh a chaidh a dhealbhadh sa phàipear seo tro dheformachadh plastaig neo-atharrachail den neach-cruinneachaidh meatailt gnàthach fo dhiofar deformations cruaidh agus iom-fhillte. Aig an aon àm, faodaidh bataraidh aonad ceàrnagach cruinn dùmhlachd lùtha suas ri 371.9 Wh / L, a tha 92.9% den bhataraidh pacaid bog traidiseanta. A bharrachd air an sin, faodaidh e coileanadh rothaireachd seasmhach a chumail eadhon às deidh còrr air 200,000 uair de lùbadh fiùghantach agus 25,000 uair de shaobhadh fiùghantach.

Tha tuilleadh rannsachaidh a’ sealltainn gum faod an cealla aonad siolandair cruinnichte seasamh ri deformations nas cruaidhe agus nas iom-fhillte. Às deidh còrr air 100,000 sìneadh fiùghantach, 20,000 tionndadh, agus 100,000 deformations cromadh, faodaidh e fhathast comas àrd de chòrr air 88% a choileanadh - ìre gleidhidh. Mar sin, tha na LIBn sùbailte a tha air am moladh sa phàipear seo a’ toirt sealladh mòr airson tagraidhean practaigeach ann an electronics so-ruigsinneach.

Prìomh phuingean rannsachaidh

1) Faodaidh LIBan sùbailte, air am brosnachadh le joints daonna, coileanadh seasmhach de bhaidhsagal a chumail fo lùbadh, toinneamh, sìneadh agus lùbach;

(2) Le bataraidh sùbailte ceàrnagach, faodaidh e dùmhlachd lùtha suas ri 371.9 Wh / L a choileanadh, a tha 92.9% den bhataraidh pacaid bog traidiseanta;

(3) Faodaidh diofar dhòighean lùbach cruth a’ bhataraidh atharrachadh agus deformability gu leòr a thoirt don bhataraidh.

Stiùireadh grafaigeach

Tha rannsachadh air sealltainn, a bharrachd air a bhith a’ dèanamh cinnteach à dùmhlachd lùtha àrd agus deformachadh nas iom-fhillte, gum feum an dealbhadh structarail cuideachd deformachadh plastaig an neach-cruinneachaidh gnàthach a sheachnadh. Tha an atharrais eileamaid chrìochnaichte a’ sealltainn gum bu chòir an dòigh as fheàrr a bhith aig an neach-cruinneachaidh gnàthach gus casg a chuir air an neach-cruinneachaidh gnàthach bho bhith a’ faighinn radius cromadh beag tron ​​​​phròiseas cromadh gus deformachadh plastaig agus milleadh neo-atharrachail an neach-cruinneachaidh gnàthach a sheachnadh.

Tha Figear 1a a’ sealltainn structar joints daonna, anns a bheil an dealbhadh uachdar lùbte nas motha a’ cuideachadh na joints a bhith a’ gluasad gu rèidh. Stèidhichte air an seo, tha Figear 1b a’ sealltainn anod grafait àbhaisteach / diaphragm / lithium cobaltate (LCO), a dh’ fhaodar a thionndadh a-steach do structar cruachan ceàrnagach tiugh. Aig a 'chrois-rathaid, tha e air a dhèanamh suas de dhà chruachan tiugh tiugh agus pàirt sùbailte. Nas cudromaiche, tha uachdar lùbte aig a 'chruach thiugh co-ionann ris a' chòmhdach cnàimh co-phàirteach, a tha a 'cuideachadh cuideam bufair agus a' toirt seachad prìomh chomas a 'bhataraidh sùbailte. Tha am pàirt elastagach ag obair mar ligament, a 'ceangal stacan tiugh agus a' toirt sùbailteachd (Figear 1c). A bharrachd air a bhith a’ dol a-steach do chrann ceàrnagach, faodar bataraidhean le ceallan siolandair no triantanach a dhèanamh cuideachd le bhith ag atharrachadh an dòigh lùbach (Figear 1d). Airson LIBn sùbailte le aonadan stòraidh lùth ceàrnagach, bidh na roinnean eadar-cheangailte a ’roiligeadh air uachdar cumadh arc den chruach thiugh rè a’ phròiseas cromadh (Figear 1e), agus mar sin a ’meudachadh gu mòr dùmhlachd lùth a’ bhataraidh sùbailte. A bharrachd air an sin, tro chuairteachadh polymer elastagach, faodaidh LIBn sùbailte le aonadan siolandair feartan sìnte agus sùbailte a choileanadh (Figear 1f).

Figear 1 (a) Tha dealbhadh ceangal ligament sònraichte agus uachdar lùbte riatanach gus sùbailteachd a choileanadh; (b) Diagram sgeamach de structar bataraidh sùbailte agus pròiseas saothrachaidh; (c) tha cnàimh a 'freagairt ri cruach dealain nas doimhne, agus tha ligament a' freagairt ri neo-rolaichte (D) Structar bataraidh sùbailte le ceallan siolandair agus triantanach; (e) Diagram schematic de cheallan ceàrnagach; (f) A 'sìneadh deformation de cheallan siolandair.

Dhearbh barrachd feum de mhion-sgrùdadh atharrais meacanaigeach seasmhachd structar sùbailte a’ bhataraidh. Tha Figear 2a a’ sealltainn cuairteachadh cuideam foil copair is alùmanum nuair a thèid a chromadh a-steach do siolandair (radian 180 °). Tha na co-dhùnaidhean a 'sealltainn gu bheil an cuideam a th' aig foil copair agus alùmanum mòran nas ìsle na an neart toraidh, a 'sealltainn nach adhbhraich an deformachadh seo deformachadh plastaig. Faodaidh an neach-cruinneachaidh meatailt gnàthach milleadh nach gabh atharrachadh a sheachnadh.

Tha Figear 2b a’ sealltainn cuairteachadh cuideam nuair a tha an ìre de lùbadh air a mheudachadh nas motha, agus tha cuideam foil copair agus foil alùmanum cuideachd nas lugha na an neart toraidh co-fhreagarrach. Mar sin, faodaidh an structar seasamh ri deformachadh fillte fhad ‘s a chumas e deagh sheasmhachd. A bharrachd air deformation lùbadh, faodaidh an siostam ìre de shaobhadh a choileanadh (Figear 2c).

Airson bataraidhean le aonadan siolandair, air sgàth feartan gnèitheach a 'chearcaill, faodaidh e deformachadh nas cruaidhe agus nas iom-fhillte a choileanadh. Mar sin, nuair a tha am bataraidh air a phasgadh gu 180o (Figear 2d, e), air a shìneadh gu timcheall air 140% den fhad tùsail (Figear 2f), agus air a thoinneamh gu 90o (Figear 2g), faodaidh e seasmhachd meacanaigeach a chumail suas. A bharrachd air an sin, nuair a thèid lùbadh + toinneamh agus deformation lùbach a chuir an sàs air leth, cha bhith an structar LIBs dealbhaichte ag adhbhrachadh deformachadh plastaig nach gabh a thionndadh air ais don neach-cruinneachaidh meatailt gnàthach fo dhiofar deformations trom agus iom-fhillte.

Figear 2 (ac) Toraidhean atharrais eileamaid chrìochnaichte de chill ceàrnagach fo lùbadh, pasgadh agus toinneamh; (di) Toraidhean atharrais eileamaid chrìochnaichte de chealla siolandair fo lùbadh, pasgadh, sìneadh, toinneamh, lùbadh + toinneamh agus lùbach.

Gus coileanadh electroceimiceach a’ bhataraidh sùbailte dealbhaichte a mheasadh, chaidh LiCoO2 a chleachdadh mar stuth catod gus comas sgaoilidh agus seasmhachd baidhsagal a dhearbhadh. Mar a chithear ann am Figear 3a, chan eil comas sgaoilidh a’ bhataraidh le ceallan ceàrnagach air a lughdachadh gu mòr às deidh don phlèana a bhith deformed gus lùbadh, fàinne, pasgadh, agus toinneamh aig meudachadh 1 C, a tha a’ ciallachadh nach bi an deformachadh meacanaigeach ag adhbhrachadh dealbhadh. am bataraidh sùbailte gu bhith electrochemically Bidh coileanadh a’ tuiteam. Eadhon às deidh lùbadh fiùghantach (Figear 3c, d) agus torsion fiùghantach (Figear 3e, f), agus às deidh àireamh sònraichte de chearcallan, chan eil atharrachaidhean follaiseach aig an àrd-ùrlar cosgais is sgaoilidh agus coileanadh cuairt fhada, a tha a’ ciallachadh gu bheil structar a-staigh an togalaich. tha am bataraidh air a dhìon gu math.

Figear 3 (a) Deuchainn cosgais agus sgaoilidh de bhataraidh aonad ceàrnagach fo 1C; (b) Lùb cosgais is sgaoilidh fo chumhachan eadar-dhealaichte; (c, d) Fo lùbadh fiùghantach, coileanadh cearcall bataraidh agus lùb cosgais is sgaoilidh co-fhreagarrach; (e, f) Fo torsion fiùghantach, coileanadh baidhsagal a’ bhataraidh agus an lùb cosgais-sgaoilidh co-fhreagarrach fo dhiofar chearcallan.

Tha toraidhean mion-sgrùdadh atharrais a’ sealltainn, le taing do fheartan gnèitheach a’ chearcaill, gum faod na LIBn sùbailte le eileamaidean siolandair seasamh ri deformations nas iomallaiche agus nas iom-fhillte. Mar sin, gus coileanadh electrochemical LIBn sùbailte an aonad siolandair a nochdadh, chaidh an deuchainn a dhèanamh aig ìre 1 C, a sheall nuair a thèid am bataraidh tro dhiofar deformations, cha mhòr nach eil atharrachadh sam bith ann an coileanadh electrochemical. Cha toir an deformachadh an lùb bholtachd atharrachadh (Figear 4a, b).

Gus tuilleadh measadh a dhèanamh air seasmhachd electroceimiceach agus seasmhachd meacanaigeach a’ bhataraidh siolandair, chuir e smachd air a’ bhataraidh gu deuchainn luchdan fèin-ghluasadach fiùghantach aig ìre 1 C. Tha rannsachadh a’ sealltainn, às deidh sìneadh fiùghantach (Figear 4c, d), torsion fiùghantach (Figear 4e, f) , agus lùbadh fiùghantach + torsion (Figear 4g, h), chan eilear a’ toirt buaidh air coileanadh cearcall cosgais bataraidh agus an lùb bholtachd co-fhreagarrach. Tha Figear 4i a 'sealltainn coileanadh bataraidh le aonad stòraidh lùth dathach. Tha an comas sgaoilidh a’ dol sìos bho 133.3 mAm g-1 gu 129.9 mAh g-1, agus chan eil an call comas gach cearcall ach 0.04%, a’ nochdadh nach toir deformachadh buaidh air seasmhachd a’ chearcall agus an comas sgaoilidh.

Figear 4 (a) Deuchainn cearcall cosgais is sgaoilidh de dhiofar rèiteachaidhean de cheallan siolandair aig 1 C; (b) Cosgais co-fhreagarrach agus lùban sgaoilidh a ’bhataraidh fo chumhachan eadar-dhealaichte; (c, d) Coileanadh baidhsagal agus cosgais a’ bhataraidh fo lùb fuasglaidh teannachadh fiùghantach; (e, f) coileanadh baidhsagal a’ bhataraidh fo torsion fiùghantach agus an lùb cosgais-sgaoilidh co-fhreagarrach fo dhiofar chuairtean; (g, h) coileanadh baidhsagal a’ bhataraidh fo lùbadh fiùghantach + torsion agus an lùb cosgais-sgaoilidh co-fhreagarrach fo dhiofar chuairtean; (I) Deuchainn cosgais is leigeil às bataraidhean aonad prismatic le diofar rèiteachaidhean aig 1 C.

Gus measadh a dhèanamh air cleachdadh a’ bhataraidh sùbailte leasaichte ann an cleachdadh, bidh an t-ùghdar a’ cleachdadh bataraidhean làn le diofar sheòrsaichean de dh’aonadan stòraidh lùtha gus cumhachd a thoirt do chuid de thoraidhean dealanach malairteach, leithid fònaichean-cluaise, uaireadairean smart, luchd-leantainn dealain beaga, ionnstramaidean cosmaigeach, agus fònaichean sgairteil. Tha an dà chuid gu leòr airson an cleachdadh gu làitheil, a’ toirt a-steach làn chomas tagraidh diofar thoraidhean dealanach sùbailte agus so-ruigsinneach.

Tha Figear 5 a’ buntainn a’ bhataraidh dealbhaichte ri fònaichean-cluaise, uaireadairean spaideil, luchd-leantainn beag dealain, uidheamachd cosmaigeach, agus fònaichean sgairteil. Bidh am bataraidh sùbailte a’ toirt seachad cumhachd airson (a) fònaichean-cluaise, (b) smartwatches, agus (c) mion-luchd-leantainn dealain; (d) solar cumhachd airson uidheamachd cosmaigeach; (e) fo chumhachan deformation eadar-dhealaichte, bidh am bataraidh sùbailte a’ toirt seachad cumhachd airson fònaichean sgairteil.

Geàrr-chunntas agus sealladh

Ann an geàrr-chunntas, tha an artaigil seo air a bhrosnachadh le structar joints daonna. Tha e a’ moladh dòigh dealbhaidh gun samhail airson bataraidh sùbailte a dhèanamh le dùmhlachd lùth àrd, ioma deformability, agus seasmhachd. An coimeas ri LIBn sùbailte traidiseanta, faodaidh an dealbhadh ùr seo deformachadh plastaig an neach-cruinneachaidh meatailt gnàthach a sheachnadh. Aig an aon àm, faodaidh na h-uachdaran lùbte a tha glèidhte aig gach ceann den aonad stòraidh lùtha a chaidh a dhealbhadh sa phàipear seo faochadh a thoirt do chuideam ionadail nan co-phàirtean eadar-cheangailte. A bharrachd air an sin, faodaidh diofar dhòighean lùbach cruth a ’chruach atharrachadh, a’ toirt deformability gu leòr don bhataraidh. Tha am bataraidh sùbailte a’ nochdadh seasmhachd rothaireachd sàr-mhath agus seasmhachd meacanaigeach le taing don dealbhadh ùr-nodha agus tha cothroman tagraidh farsaing ann ann an grunn thoraidhean dealanach sùbailte is caitheamh.

Ceangal litreachais

Dealbhadh structarail co-bhrosnaichte daonna airson bataraidh lùbte / paisgte / sìnte / so-ruigsinneach: a’ coileanadh ioma-deformability. (Àrainneachd lùtha. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)