Hong Kong CityU EES: bateria flexível de íons de lítio inspirada em articulações humanas

Fundo de pesquisa

A crescente demanda por produtos eletrônicos tem promovido o rápido desenvolvimento de dispositivos de armazenamento flexíveis e de alta densidade de energia nos últimos anos. Baterias de íon de lítio flexíveis (LIBs) com alta densidade de energia e desempenho eletroquímico estável são considerados a tecnologia de bateria mais promissora para produtos eletrônicos vestíveis. Embora o uso de eletrodos de filme fino e eletrodos à base de polímeros melhorem drasticamente a flexibilidade dos LIBs, existem os seguintes problemas:

(1) A maioria das baterias flexíveis são empilhadas por "eletrodo negativo-separador-eletrodo positivo", e sua deformabilidade limitada e deslizamento entre pilhas multicamadas restringem o desempenho geral das LIBs;

(2) Sob algumas condições mais severas, como dobra, estiramento, enrolamento e deformação complexa, não pode garantir o desempenho da bateria;

(3) Parte da estratégia de projeto ignora a deformação do coletor de metal atual.

Portanto, atingir simultaneamente seu leve ângulo de curvatura, vários modos de deformação, durabilidade mecânica superior e alta densidade de energia ainda enfrenta muitos desafios.

Introdução

Recentemente, o professor Chunyi Zhi e o Dr. Cuiping Han, da Universidade da Cidade de Hong Kong, publicaram um artigo intitulado "Projeto estrutural inspirado em juntas humanas para bateria dobrável/dobrável/esticavel/girável: alcançando deformabilidade múltipla" no Energy Environ. Sci. Este trabalho foi inspirado na estrutura das articulações humanas e projetou uma espécie de LIBs flexíveis semelhantes ao sistema de articulações. Com base neste design inovador, a bateria flexível preparada pode atingir alta densidade de energia e ser dobrada ou mesmo dobrada em 180°. Ao mesmo tempo, a estrutura estrutural pode ser alterada por meio de diferentes métodos de enrolamento para que os LIBs flexíveis tenham ricas capacidades de deformação, possam ser aplicados a deformações mais severas e complexas (enrolamento e torção) e possam até ser esticados, e suas capacidades de deformação são muito além dos relatórios anteriores de LIBs flexíveis. A análise de simulação de elementos finitos confirmou que a bateria projetada neste artigo não sofreria deformação plástica irreversível do coletor de metal atual sob várias deformações duras e complexas. Ao mesmo tempo, a bateria de unidade quadrada montada pode atingir uma densidade de energia de até 371.9 Wh/L, que é 92.9% da bateria tradicional de pacote macio. Além disso, pode manter um desempenho de ciclo estável mesmo após mais de 200,000 vezes de flexão dinâmica e 25,000 vezes de distorção dinâmica.

Outras pesquisas mostram que a célula unitária cilíndrica montada pode suportar deformações mais severas e complexas. Após mais de 100,000 alongamentos dinâmicos, 20,000 torções e 100,000 deformações de flexão, ele ainda pode atingir uma alta capacidade de mais de 88% - taxa de retenção. Portanto, os LIBs flexíveis propostos neste artigo fornecem uma enorme perspectiva para aplicações práticas em eletrônicos vestíveis.

Destaques da Pesquisa

1) LIBs flexíveis, inspirados nas articulações humanas, podem manter o desempenho do ciclo estável sob deformações de flexão, torção, alongamento e enrolamento;

(2) Com uma bateria flexível quadrada, pode atingir uma densidade de energia de até 371.9 Wh/L, que é 92.9% da bateria soft-pack tradicional;

(3) Diferentes métodos de enrolamento podem alterar a forma da pilha de baterias e dar à bateria uma deformabilidade suficiente.

Guia gráfico

A pesquisa mostrou que, além de garantir alta densidade de energia de volume e deformação mais complexa, o projeto estrutural também deve evitar a deformação plástica do coletor de corrente. A simulação de elementos finitos mostra que o melhor método do coletor de corrente deve ser evitar que o coletor de corrente tenha um pequeno raio de curvatura durante o processo de flexão para evitar a deformação plástica e danos irreversíveis do coletor de corrente.

A Figura 1a mostra a estrutura das articulações humanas, nas quais o design de superfície curva inteligentemente maior ajuda as articulações a girar suavemente. Com base nisso, a Figura 1b mostra um ânodo típico de grafite/diafragma/cobaltato de lítio (LCO), que pode ser enrolado em uma estrutura de pilha quadrada de espessura. Na junção, consiste em duas pilhas rígidas grossas e uma parte flexível. Mais importante, a pilha espessa tem uma superfície curva equivalente à cobertura óssea da articulação, o que ajuda a amortecer a pressão e fornece a capacidade primária da bateria flexível. A parte elástica atua como um ligamento, conectando pilhas grossas e proporcionando flexibilidade (Figura 1c). Além do enrolamento em pilha quadrada, baterias com células cilíndricas ou triangulares também podem ser fabricadas alterando o método de enrolamento (Figura 1d). Para LIBs flexíveis com unidades quadradas de armazenamento de energia, os segmentos interconectados rolarão ao longo da superfície em forma de arco da pilha espessa durante o processo de dobra (Figura 1e), aumentando significativamente a densidade de energia da bateria flexível. Além disso, através do encapsulamento de polímero elástico, LIBs flexíveis com unidades cilíndricas podem alcançar propriedades elásticas e flexíveis (Figura 1f).

Figura 1 (a) O design de conexão ligamentar única e superfície curva é essencial para obter flexibilidade; (b) Diagrama esquemático da estrutura flexível da bateria e do processo de fabricação; (c) osso corresponde ao empilhamento de eletrodos mais espesso e ligamento corresponde ao desenrolado (D) Estrutura de bateria flexível com células cilíndricas e triangulares; (e) Diagrama esquemático de empilhamento de células quadradas; (f) Deformação por estiramento de células cilíndricas.

O uso adicional de análise de simulação mecânica confirmou a estabilidade da estrutura flexível da bateria. A Figura 2a mostra a distribuição de tensão da folha de cobre e alumínio quando dobrada em um cilindro (180° radiano). Os resultados mostram que a tensão do cobre e da folha de alumínio é muito menor do que sua resistência ao escoamento, indicando que essa deformação não causará deformação plástica. O coletor de metal atual pode evitar danos irreversíveis.

A Figura 2b mostra a distribuição de tensão quando o grau de flexão é aumentado ainda mais, e a tensão da folha de cobre e da folha de alumínio também é menor que sua resistência ao escoamento correspondente. Portanto, a estrutura pode suportar a deformação de dobramento, mantendo uma boa durabilidade. Além da deformação por flexão, o sistema pode atingir um certo grau de distorção (Figura 2c).

Para baterias com unidades cilíndricas, devido às características inerentes do círculo, pode atingir deformações mais severas e complexas. Portanto, quando a bateria é dobrada em 180o (Figura 2d, e), esticada em cerca de 140% do comprimento original (Figura 2f) e torcida em 90o (Figura 2g), ela pode manter a estabilidade mecânica. Além disso, quando a deformação de flexão + torção e enrolamento são aplicadas separadamente, a estrutura de LIBs projetada não causará deformação plástica irreversível do coletor de metal atual sob várias deformações severas e complexas.

Figura 2 (ac) Resultados da simulação de elementos finitos de uma célula quadrada sob flexão, dobramento e torção; (di) Resultados da simulação de elementos finitos de uma célula cilíndrica sob flexão, dobra, estiramento, torção, flexão + torção e enrolamento.

Para avaliar o desempenho eletroquímico da bateria flexível projetada, LiCoO2 foi usado como material catódico para testar a capacidade de descarga e a estabilidade do ciclo. Conforme mostrado na Figura 3a, a capacidade de descarga da bateria com células quadradas não é significativamente reduzida após o plano ser deformado para dobrar, anelar, dobrado e torcido na ampliação de 1 C, o que significa que a deformação mecânica não causará o projeto de a bateria flexível para ser eletroquimicamente O desempenho cai. Mesmo após flexão dinâmica (Figura 3c, d) e torção dinâmica (Figura 3e, f), e após um certo número de ciclos, a plataforma de carga e descarga e o desempenho de ciclo longo não apresentam alterações aparentes, o que significa que a estrutura interna do a bateria está bem protegida.

Figura 3 (a) Teste de carga e descarga da bateria da unidade quadrada sob 1C; (b) Curva de carga e descarga em diferentes condições; (c, d) Sob flexão dinâmica, desempenho do ciclo da bateria e curva de carga e descarga correspondente; (e, f) Sob torção dinâmica, o desempenho do ciclo da bateria e a curva de carga-descarga correspondente em diferentes ciclos.

Os resultados da análise de simulação mostram que, graças às características inerentes ao círculo, os LIBs flexíveis com elementos cilíndricos podem suportar deformações mais extremas e complexas. Portanto, para demonstrar o desempenho eletroquímico das LIBs flexíveis da unidade cilíndrica, o teste foi realizado a uma taxa de 1 C, o que mostrou que quando a bateria sofre diversas deformações, quase não há alteração no desempenho eletroquímico. A deformação não fará com que a curva de tensão mude (Figura 4a, b).

Para avaliar ainda mais a estabilidade eletroquímica e a durabilidade mecânica da bateria cilíndrica, ela submeteu a bateria a um teste de carga dinâmico automatizado a uma taxa de 1 C. A pesquisa mostra que após o alongamento dinâmico (Figura 4c, d), a torção dinâmica (Figura 4e, f) , e flexão dinâmica + torção (Figura 4g, h), o desempenho do ciclo de carga-descarga da bateria e a curva de tensão correspondente não são afetados. A Figura 4i mostra o desempenho de uma bateria com uma unidade de armazenamento de energia colorida. A capacidade de descarga cai de 133.3 mAm g-1 para 129.9 mAh g-1, e a perda de capacidade por ciclo é de apenas 0.04%, indicando que a deformação não afetará sua estabilidade de ciclo e capacidade de descarga.

Figura 4 (a) Teste de ciclo de carga e descarga de diferentes configurações de células cilíndricas a 1 C; (b) Curvas de carga e descarga correspondentes da bateria sob diferentes condições; (c, d) Desempenho do ciclo e carga da bateria sob tensão dinâmica Curva de descarga; (e, f) o desempenho do ciclo da bateria sob torção dinâmica e a curva de carga-descarga correspondente sob diferentes ciclos; (g, h) o desempenho do ciclo da bateria sob flexão dinâmica + torção e a curva de carga-descarga correspondente em diferentes ciclos; (I) Teste de carga e descarga de baterias de unidades prismáticas com diferentes configurações a 1 C.

Para avaliar a aplicação da bateria flexível desenvolvida na prática, o autor utiliza baterias cheias com diferentes tipos de unidades de armazenamento de energia para alimentar alguns produtos eletrônicos comerciais, como fones de ouvido, smartwatches, miniventiladores elétricos, instrumentos cosméticos e smartphones. Ambos são suficientes para o uso diário, incorporam totalmente o potencial de aplicação de vários produtos eletrônicos flexíveis e vestíveis.

A Figura 5 aplica a bateria projetada a fones de ouvido, smartwatches, miniventiladores elétricos, equipamentos cosméticos e smartphones. A bateria flexível fornece energia para (a) fones de ouvido, (b) smartwatches e (c) miniventiladores elétricos; (d) fornece energia para equipamentos cosméticos; (e) sob diferentes condições de deformação, a bateria flexível fornece energia para smartphones.

Resumo e perspectiva

Em resumo, este artigo é inspirado na estrutura das articulações humanas. Ele propõe um método de projeto exclusivo para a fabricação de uma bateria flexível com alta densidade de energia, deformabilidade múltipla e durabilidade. Comparado com os LIBs flexíveis tradicionais, este novo design pode efetivamente evitar a deformação plástica do coletor de metal atual. Ao mesmo tempo, as superfícies curvas reservadas em ambas as extremidades da unidade de armazenamento de energia projetada neste artigo podem efetivamente aliviar a tensão local dos componentes interconectados. Além disso, diferentes métodos de enrolamento podem alterar a forma da pilha, dando à bateria uma deformabilidade suficiente. A bateria flexível apresenta excelente estabilidade de ciclo e durabilidade mecânica graças ao design inovador e tem amplas possibilidades de aplicação em vários produtos eletrônicos flexíveis e vestíveis.

Link de literatura

Design estrutural inspirado em articulações humanas para bateria dobrável/dobrável/extensível/tortível: alcançando deformabilidade múltipla. (Ambiente Energético. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)