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Hong Kong CityU EES : batterie lithium-ion flexible inspirée des articulations humaines

15 Oct, 2021

By hoppt

Fond de recherche

La demande croissante de produits électroniques a favorisé le développement rapide de dispositifs de stockage flexibles et à haute densité d'énergie au cours des dernières années. Batteries lithium-ion flexibles (LIB) avec une densité d'énergie élevée et des performances électrochimiques stables sont considérées comme la technologie de batterie la plus prometteuse pour les produits électroniques portables. Bien que l'utilisation d'électrodes à couche mince et d'électrodes à base de polymère améliore considérablement la flexibilité des LIB, les problèmes suivants se posent :

(1) La plupart des batteries flexibles sont empilées par "électrode négative-séparateur-électrode positive", et leur déformabilité et leur glissement limités entre les empilements multicouches limitent les performances globales des LIB ;

(2) Dans certaines conditions plus sévères, telles que le pliage, l'étirement, l'enroulement et la déformation complexe, il ne peut pas garantir les performances de la batterie ;

(3) Une partie de la stratégie de conception ignore la déformation du collecteur métallique de courant.

Par conséquent, atteindre simultanément son léger angle de flexion, ses multiples modes de déformation, sa durabilité mécanique supérieure et sa haute densité d'énergie reste confronté à de nombreux défis.

Introduction

Récemment, le professeur Chunyi Zhi et le Dr Cuiping Han de l'Université de la ville de Hong Kong ont publié un article intitulé « Conception structurelle inspirée par l'articulation humaine pour une batterie pliable/pliable/étirable/torsadable : obtenir une déformabilité multiple » sur Energy Environ. Sci. Ce travail s'est inspiré de la structure des articulations humaines et a conçu une sorte de LIB flexible similaire au système articulaire. Sur la base de cette nouvelle conception, la batterie flexible préparée peut atteindre une densité d'énergie élevée et être courbée ou même pliée à 180°. Dans le même temps, la structure structurelle peut être modifiée par différentes méthodes d'enroulement afin que les LIB flexibles aient de riches capacités de déformation, puissent être appliquées à des déformations plus sévères et complexes (enroulement et torsion), et puissent même être étirées, et leurs capacités de déformation sont bien au-delà des rapports précédents sur les LIB flexibles. L'analyse par simulation par éléments finis a confirmé que la batterie conçue dans cet article ne subirait pas de déformation plastique irréversible du collecteur métallique actuel sous diverses déformations dures et complexes. Dans le même temps, la batterie carrée assemblée peut atteindre une densité d'énergie allant jusqu'à 371.9 Wh/L, soit 92.9 % de la batterie souple traditionnelle. De plus, il peut maintenir des performances de cycle stables même après plus de 200,000 25,000 fois de flexion dynamique et XNUMX XNUMX fois de distorsion dynamique.

Des recherches plus poussées montrent que la cellule unitaire cylindrique assemblée peut résister à des déformations plus sévères et complexes. Après plus de 100,000 20,000 étirements dynamiques, 100,000 88 torsions et XNUMX XNUMX déformations en flexion, il peut encore atteindre une capacité élevée de plus de XNUMX % de taux de rétention. Par conséquent, les LIB flexibles proposées dans cet article offrent une perspective massive d'applications pratiques dans l'électronique portable.

Points saillants de la recherche

1) Les LIB flexibles, inspirées des articulations humaines, peuvent maintenir des performances de cycle stables sous des déformations de flexion, de torsion, d'étirement et d'enroulement ;

(2) Avec une batterie flexible carrée, elle peut atteindre une densité d'énergie allant jusqu'à 371.9 Wh/L, soit 92.9 % de la batterie souple traditionnelle ;

(3) Différentes méthodes d'enroulement peuvent modifier la forme de la batterie et donner à la batterie une déformabilité suffisante.

Guide graphique

1. Conception d'un nouveau type de LIB flexibles bioniques

La recherche a montré qu'en plus d'assurer une densité d'énergie volumique élevée et une déformation plus complexe, la conception structurelle doit également éviter la déformation plastique du collecteur de courant. La simulation par éléments finis montre que la meilleure méthode du collecteur de courant devrait être d'empêcher le collecteur de courant d'avoir un petit rayon de courbure pendant le processus de courbure pour éviter la déformation plastique et les dommages irréversibles du collecteur de courant.

La figure 1a montre la structure des articulations humaines, dans laquelle la conception intelligemment plus grande de la surface incurvée aide les articulations à tourner en douceur. Sur cette base, la figure 1b montre une anode typique en graphite/diaphragme/cobaltate de lithium (LCO), qui peut être enroulée en une structure carrée épaisse. A la jonction, il est constitué de deux piles rigides épaisses et d'une partie souple. Plus important encore, la pile épaisse a une surface incurvée équivalente à la couverture osseuse articulaire, ce qui aide à amortir la pression et fournit la capacité principale de la batterie flexible. La partie élastique agit comme un ligament, reliant des piles épaisses et offrant de la flexibilité (Figure 1c). En plus de l'enroulement dans une pile carrée, les batteries avec des cellules cylindriques ou triangulaires peuvent également être fabriquées en changeant la méthode d'enroulement (Figure 1d). Pour les LIB flexibles avec des unités de stockage d'énergie carrées, les segments interconnectés rouleront le long de la surface en forme d'arc de la pile épaisse pendant le processus de flexion (Figure 1e), augmentant ainsi considérablement la densité d'énergie de la batterie flexible. De plus, grâce à l'encapsulation de polymère élastique, les LIB flexibles avec des unités cylindriques peuvent obtenir des propriétés extensibles et flexibles (Figure 1f).

Figure 1 (a) La conception d'une connexion ligamentaire unique et d'une surface incurvée est essentielle pour obtenir de la flexibilité ; (b) Schéma de principe de la structure de la batterie flexible et du processus de fabrication ; (c) l'os correspond à une pile d'électrodes plus épaisse et le ligament correspond à une structure de batterie flexible déroulée (D) avec des cellules cylindriques et triangulaires ; (e) Diagramme schématique d'empilement de cellules carrées ; ( f ) Déformation par étirement des cellules cylindriques.

2. Analyse de simulation par éléments finis

L'utilisation ultérieure de l'analyse de simulation mécanique a confirmé la stabilité de la structure flexible de la batterie. La figure 2a montre la répartition des contraintes d'une feuille de cuivre et d'aluminium lorsqu'elle est pliée en un cylindre (180° radian). Les résultats montrent que la contrainte des feuilles de cuivre et d'aluminium est bien inférieure à leur limite d'élasticité, ce qui indique que cette déformation ne provoquera pas de déformation plastique. Le collecteur métallique de courant permet d'éviter des dommages irréversibles.

La figure 2b montre la répartition des contraintes lorsque le degré de flexion est encore augmenté, et la contrainte de la feuille de cuivre et de la feuille d'aluminium est également inférieure à leur limite d'élasticité correspondante. Par conséquent, la structure peut résister à la déformation par pliage tout en conservant une bonne durabilité. En plus de la déformation en flexion, le système peut atteindre un certain degré de distorsion (Figure 2c).

Pour les batteries avec des unités cylindriques, en raison des caractéristiques inhérentes du cercle, il peut obtenir une déformation plus sévère et complexe. Par conséquent, lorsque la batterie est pliée à 180o (Figure 2d, e), étirée à environ 140 % de sa longueur d'origine (Figure 2f) et tordue à 90o (Figure 2g), elle peut maintenir sa stabilité mécanique. De plus, lorsque la flexion + la torsion et la déformation d'enroulement sont appliquées séparément, la structure conçue des LIB ne provoquera pas de déformation plastique irréversible du collecteur métallique de courant sous diverses déformations sévères et complexes.

Figure 2 (ac) Résultats de la simulation par éléments finis d'une cellule carrée sous flexion, pliage et torsion ; (di) Résultats de simulation par éléments finis d'une cellule cylindrique sous flexion, pliage, étirement, torsion, flexion + torsion et enroulement.

3. Performances électrochimiques des LIB flexibles de l'unité de stockage d'énergie carrée

Pour évaluer les performances électrochimiques de la batterie flexible conçue, LiCoO2 a été utilisé comme matériau de cathode pour tester la capacité de décharge et la stabilité du cycle. Comme le montre la figure 3a, la capacité de décharge de la batterie à cellules carrées n'est pas significativement réduite après que le plan est déformé pour se plier, s'anneaur, se plier et se tordre à un grossissement de 1 C, ce qui signifie que la déformation mécanique n'entraînera pas la conception de la batterie souple à être électrochimiquement Les performances baissent. Même après flexion dynamique (Figure 3c, d) et torsion dynamique (Figure 3e, f), et après un certain nombre de cycles, la plate-forme de charge et de décharge et les performances à long cycle ne présentent aucun changement apparent, ce qui signifie que la structure interne de la batterie est bien protégée.

Figure 3 (a) Test de charge et de décharge de la batterie carrée sous 1C ; (b) Courbe de charge et de décharge dans différentes conditions ; (c, d) Sous flexion dynamique, performance du cycle de la batterie et courbe de charge et de décharge correspondante ; (e, f) Sous torsion dynamique, les performances de cycle de la batterie et la courbe de charge-décharge correspondante sous différents cycles.

4. Performances électrochimiques des LIB flexibles de l'unité cylindrique de stockage d'énergie

Les résultats de l'analyse de simulation montrent que grâce aux caractéristiques inhérentes au cercle, les LIB flexibles à éléments cylindriques peuvent résister à des déformations plus extrêmes et complexes. Par conséquent, pour démontrer les performances électrochimiques des LIB flexibles de l'unité cylindrique, le test a été effectué à une vitesse de 1 C, ce qui a montré que lorsque la batterie subit diverses déformations, il n'y a presque pas de changement dans les performances électrochimiques. La déformation ne fera pas changer la courbe de tension (Figure 4a, b).

Pour évaluer davantage la stabilité électrochimique et la durabilité mécanique de la batterie cylindrique, elle a soumis la batterie à un test de charge automatisé dynamique à un taux de 1 C. La recherche montre qu'après un étirement dynamique (Figure 4c, d), une torsion dynamique (Figure 4e, f) , et flexion dynamique + torsion (Figure 4g, h), les performances du cycle de charge-décharge de la batterie et la courbe de tension correspondante ne sont pas affectées. La figure 4i montre les performances d'une batterie avec une unité de stockage d'énergie colorée. La capacité de décharge décroit de 133.3 mAm g-1 à 129.9 mAh g-1, et la perte de capacité par cycle n'est que de 0.04 %, ce qui indique que la déformation n'affectera pas sa stabilité de cycle et sa capacité de décharge.

Figure 4 (a) Test de cycle de charge et de décharge de différentes configurations de cellules cylindriques à 1 C ; (b) Courbes de charge et de décharge correspondantes de la batterie dans différentes conditions ; (c, d) Performance du cycle et charge de la batterie sous tension dynamique Courbe de décharge ; (e, f) la performance de cycle de la batterie sous torsion dynamique et la courbe de charge-décharge correspondante sous différents cycles ; (g, h) les performances cycliques de la batterie sous flexion dynamique + torsion et la courbe charge-décharge correspondante sous différents cycles ; (I) Test de charge et de décharge des batteries de l'unité prismatique avec différentes configurations à 1 C.

5. Application de produits électroniques flexibles et portables

Pour évaluer l'application de la batterie flexible développée dans la pratique, l'auteur utilise des batteries complètes avec différents types d'unités de stockage d'énergie pour alimenter certains produits électroniques commerciaux, tels que des écouteurs, des montres intelligentes, des mini ventilateurs électriques, des instruments cosmétiques et des téléphones intelligents. Les deux sont suffisants pour un usage quotidien, incarnent pleinement le potentiel d'application de divers produits électroniques flexibles et portables.

La figure 5 applique la batterie conçue aux écouteurs, aux montres connectées, aux mini ventilateurs électriques, aux équipements cosmétiques et aux smartphones. La batterie flexible alimente (a) les écouteurs, (b) les montres intelligentes et (c) les mini ventilateurs électriques ; (d) alimente en électricité les équipements cosmétiques ; (e) dans différentes conditions de déformation, la batterie flexible alimente les smartphones.

Résumé et perspectives

En résumé, cet article s'inspire de la structure des articulations humaines. Il propose une méthode de conception unique pour fabriquer une batterie flexible avec une densité d'énergie élevée, une déformabilité multiple et une durabilité. Par rapport aux LIB flexibles traditionnels, cette nouvelle conception permet d'éviter efficacement la déformation plastique du collecteur métallique actuel. Dans le même temps, les surfaces courbes réservées aux deux extrémités de l'unité de stockage d'énergie conçue dans cet article peuvent soulager efficacement la contrainte locale des composants interconnectés. De plus, différentes méthodes d'enroulement peuvent modifier la forme de l'empilement, conférant à la batterie une déformabilité suffisante. La batterie flexible présente une excellente stabilité de cycle et une excellente durabilité mécanique grâce à la nouvelle conception et offre de vastes perspectives d'application dans divers produits électroniques flexibles et portables.

Lien littérature

Conception structurelle inspirée des articulations humaines pour une batterie pliable/pliable/extensible/torsadable : atteindre une déformabilité multiple. (Énergie Environ. Sci., 2021, DOI : 10.1039/D1EE00480H)

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