Hong Kong CityU EES: Bateryaya lîtium-ionê ya maqûl ku ji movikên mirovan îlhama xwe digire

Paşxaneya Lêkolînê

Zêdebûna daxwaziya hilberên elektronîkî di van salên dawî de pêşkeftina bilez a amûrên hilanînê yên maqûl û bi enerjiya bilind-dûrtir pêşve xistiye. Pîlên lîtium ionê yên nerm (LIB) bi tîrêjiya enerjiyê ya bilind û performansa elektrokîmyayî ya domdar ji bo hilberên elektronîkî yên lixwekirî teknolojiya bataryayê ya herî hêvdar têne hesibandin. Her çend karanîna elektrodên fîlima zirav û elektrodên bingeh-polîmer bi rengek berbiçav nermbûna LIB-an çêtir dike, pirsgirêkên jêrîn hene:

(1) Piraniya bataryayên maqûl ji hêla "elektroda negatîf-elektrod-veqetanker-erênî" ve têne veguheztin, û deformasyona wan a tixûbdar û ketina wan a di navbera stûnên pirreng de performansa giştî ya LIB-an sînordar dike;

(2) Di bin hin şert û mercên girantir de, wek pêçandin, dirêjkirin, pêçandin, û deformasyona tevlihev, ew nikare performansa batterê garantî bike;

(3) Beşek ji stratejiya sêwiranê ji deformasyona berhevkarê metalê ya heyî paşguh dike.

Ji ber vê yekê, di heman demê de gihandina goşeya wê ya sivik, awayên pir deformasyonê, domdariya mekanîkî ya jorîn, û dendika enerjiya bilind hîn jî bi gelek pirsgirêkan re rû bi rû dimîne.

Pêşkêş

Di van demên dawî de, Profesor Chunyi Zhi û Dr. Sci. Ev xebat ji strukturên movikên mirovî îlhama xwe girt û celebek LIB-yên maqûl ên mîna pergala hevbeş sêwirand. Li ser bingeha vê sêwirana nûjen, bataryaya amadekirî, maqûl dikare bi enerjiya enerjiyê ya bilind bigihîje û di 180° de were çikandin an jî were çikandin. Di heman demê de, strukturên avahîsaziyê dikare bi awayên cûrbecûr pêlhev ve were guheztin da ku LIB-yên maqûl xwedî kapasîteyên deformasyonê yên dewlemend in, dikarin li ser deformasyonên dijwar û tevlihevtir (tewandin û zivirandin) werin sepandin, û tewra dikarin werin dirêj kirin, û kapasîteyên wan ên deformasyonê ne dûrî raporên berê yên LIB-yên maqûl. Analîza simulasyona hêmanên bêdawî piştrast kir ku pîlê ku di vê kaxezê de hatî sêwirandin dê di bin deformasyonên cûrbecûr yên tund û tevlihev de nekeve deformasyona plastîk a bêveger a berhevkarê metalê yê heyî. Di heman demê de, pîlê yekîneya çargoşe ya berhevkirî dikare bi enerjiyek heya 371.9 Wh / L bigihîje, ku 92.9% ji pîlê pakêta nermî ya kevneşopî ye. Digel vê yekê, ew dikare performansa çerxa domdar bidomîne jî piştî zêdetirî 200,000 carî guheztina dînamîkî û 25,000 carî guheztina dînamîkî.

Zêdetir lêkolîn nîşan dide ku hucreya yekîneya cylindrîkî ya berhevkirî dikare li ber deformasyonên dijwar û tevlihevtir bisekinin. Piştî zêdetirî 100,000 dirêjkirinên dînamîkî, 20,000 zivirandin, û 100,000 deformasyonên guheztinê, ew hîn jî dikare kapasîteya bilind a ji% 88-a-rêjeya ragirtinê bi dest bixe. Ji ber vê yekê, LIB-yên maqûl ên ku di vê kaxezê de têne pêşniyar kirin ji bo serîlêdanên pratîkî yên di elektronîkên pêçandî de perspektîfek girseyî peyda dike.

Lêkolînan berbiçav dike

1) LIB-yên maqûl, ku ji hevgirêkên mirovî ve têne îlham kirin, dikarin performansa çerxa domdar di bin deformasyonên çewisandin, zivirandin, dirêjkirin û şemitandinê de biparêzin;

(2) Bi bataryayek maqûl a çargoşe, ew dikare bi 371.9 Wh/L zencîreyek enerjiyê bi dest bixe, ku 92.9% ji pîlê nerm-pakêta kevneşopî ye;

(3) Rêbazên pêlhev ên cihêreng dikarin şeklê stûna pîlê biguhezînin û deformasyona têra pîlê bidin.

rêberê Graphic

Lêkolînê destnîşan kir ku, ji bilî dabînkirina zencîreya enerjiyê ya bilind û deformasyona tevlihevtir, pêdivî ye ku sêwirana strukturel ji deformasyona plastîk a kolektorê heyî jî dûr bixe. Simulasyona hêmanên bêdawî destnîşan dike ku divê rêbaza çêtirîn a berhevkarê heyî ev be ku pêşî li kolektorê heyî bigire ku di dema pêvajoya guheztinê de xwedan tîrêjek piçûk a guheztinê be da ku ji deformasyona plastîk û zirara nevegera berhevkara heyî dûr bisekine.

Figure 1a strukturên girêkên mirovî nîşan dide, ku tê de sêwirana rûbera kelandî ya bi aqilmendî mezintir dibe alîkar ku hevokan bi hêsanî bizivirin. Li ser vê bingehê, jimar 1b anodek grafît anode / diafragma / lîtium kobaltate (LCO) ya tîpîk nîşan dide, ku dikare di nav avahiyek stûr a qalind a çargoşe de were birîn. Di navhevkirinê de, ew ji du stûnên hişk ên qalind û beşek maqûl pêk tê. Ya girîngtir, stûna stûr xwedan rûyek qelandî ye ku bi pêça hestiyê hevbeş re wekhev e, ku arîkariya zexta tampon dike û kapasîteya bingehîn a pîlê maqûl peyda dike. Parçeya elastîk wekî lîgamentek tevdigere, stûnên qalind girêdide û nermbûnê peyda dike (Wêne 1c). Ji xeynî kelijandina nav pileyek çargoşe, bataryayên bi şaneyên silindrîk an sêgoşeyî jî dikarin bi guheztina rêbaza pêlêdanê bêne çêkirin (Wêne 1d). Ji bo LIB-ên maqûl ên bi yekîneyên hilanîna enerjiyê çargoşe, beşên bi hev ve girêdayî dê di dema pêvajoya guheztinê de li ser rûbera kemerê ya stûna qalind bizivire (Wêne 1e), bi vî rengî tîrêjiya enerjiyê ya pîlê maqûl bi girîngî zêde dike. Digel vê yekê, bi navgîniya vegirtina polîmera elastîk, LIB-yên maqûl ên bi yekîneyên silindrîk dikarin bigihîjin taybetmendiyên dirêjkirî û maqûl (Wêne 1f).

Figure 1 (a) Sêwirana girêdana ligamentê ya yekta û rûbera kelandî ji bo bidestxistina nermbûnê pêdivî ye; (b) Diyagrama şematîkî ya struktur û pêvajoya çêkirinê ya bataryayê ya maqûl; (c) hestî bi stûna elektrodê ya stûrtir re têkildar e, û lîgament bi neqelandî re têkildar e (D) Struktura bataryayê ya maqûl a bi şaneyên silindrîk û sêgoşe; (e) Diagrama şematîk a şaneyên çargoşeyî lihevkirin; (f) Deformasyona dirêjkirina şaneyên silindrîk.

Zêdetir karanîna analîza simulasyona mekanîkî aramiya strukturên baterî yên maqûl piştrast kir. Wêneyê 2a belavkirina stresê ya sifir û pelika aluminiumê dema ku di silindirek (180° radian) de tê xwarê nîşan dide. Encam destnîşan dikin ku stresa sifir û foila aluminiumê ji hêza hilberîna wan pir kêmtir e, ev diyar dike ku ev deformasyon dê nebe sedema deformasyona plastîk. Berhevkarê metalê yê heyî dikare ji zirara neveger dûr bisekine.

Wêneyê 2b dema ku dereceya guheztinê bêtir zêde dibe, belavkirina stresê nîşan dide, û stresa pelika sifir û pelika aluminiumê jî ji hêza berberiya wan a têkildar kêmtir e. Ji ber vê yekê, avahî dikare li hember deformasyona pêçandî bisekine dema ku domdariya baş biparêze. Ji bilî guheztina guheztinê, pergal dikare astek guheztinê bi dest bixe (Wêne 2c).

Ji bo bataryayên bi yekîneyên silindrîk, ji ber taybetmendiyên xwerû yên çemberê, ew dikare deformasyonek dijwar û tevlihev bi dest bixe. Ji ber vê yekê, gava ku pîlê bi 180o were dagirtin (Wêne 2d, e), bi qasî 140% ji dirêjahiya orîjînal were dirêj kirin (Wêne 2f), û bi 90o ve were zivirandin (Wêne 2g), ew dikare aramiya mekanîkî biparêze. Digel vê yekê, dema ku guheztin + guheztin û deformasyona pêlandinê ji hev cuda têne sepandin, strukturên LIB-ên sêwirandî dê di bin deformasyonên cûrbecûr yên dijwar û tevlihev de nebe sedema deformasyona plastîk a bêveger a kolektorê metalê ya heyî.

Figure 2 (ac) Encamên simulasyona hêmanên dawî yên şaneyek çargoşe ya di bin çikandin, çikandin, û zivirandinê de; (di) Encamên simulasyona hêmanên bêdawî yên şaneyek silindrîk di bin çeqandin, çikandin, dirêjkirin, gêrbûn, çewisandin + zivirandin û çikandin.

Ji bo nirxandina performansa elektrokîmyayî ya pîlê maqûl a sêwirandî, LiCoO2 wekî materyalê katodê hate bikar anîn da ku kapasîteya dakêşanê û aramiya çerxê ceribandin. Wekî ku di Figure 3a de tê xuyang kirin, kapasîteya dakêşana pîlê bi şaneyên çargoşe re bi girîngî nayê kêm kirin piştî ku balafir tê guheztin, zengil, pêçandin û bi mezinbûna 1 C tê çikandin, ku tê vê wateyê ku deformasyona mekanîkî dê nebe sedema sêwirana pîlê nerm ku elektrokîmyayî be Performans davêje. Tewra piştî guheztina dînamîk (Wêne 3c, d) û torsiona dînamîkî (Wêne 3e, f), û piştî hejmareke diyarkirî ya dewranan, platforma barkirin û dakêşandinê û performansa çerxa dirêj tu guheztinek xuya nake, ku tê vê wateyê ku avahiya hundurîn a pîlê baş tê parastin.

Wêne 3 (a) Testa barkirin û dakêşanê ya pîlê yekîneya çargoşe di binê 1C de; (b) Di bin şert û mercên cûda de kêşa barkirin û dakêşanê; (c, d) Di bin guheztina dînamîk de, performansa çerxa batterê û barkirin û dakêşana têkildar; (e, f) Di bin torziyona dînamîk de, performansa çerxa pîlê û kêşa barkirin-dakêşandinê ya têkildar di bin çerxên cihêreng de.

Encamên analîza simulasyonê destnîşan dikin ku bi saya taybetmendiyên xwerû yên dorhêlê, LIB-yên maqûl ên bi hêmanên silindrîk dikarin li ber deformasyonên tundtir û tevlihevtir bisekinin. Ji ber vê yekê, ji bo nîşandana performansa elektrokîmyayî ya LIB-ên maqûl ên yekîneya cylindrîkî, ceribandin bi rêjeya 1 C hate kirin, ku destnîşan kir ku dema ku pîlê di bin deformasyonên cihêreng de derbas dibe, di performansa elektrokîmyayî de hema hema ti guhertin tune. Deformasyon dê nebe sedem ku tîrêjê voltajê biguhere (Wêne 4a, b).

Ji bo bêtir nirxandina îstîqrara elektrokîmyayî û domdariya mekanîkî ya pîlê silindirîkî, wê pîlê bi rêjeya 1 C di ceribandinek barkirinê ya otomatîkî ya dînamîkî de kir. Lêkolîn nîşan dide ku piştî dirêjkirina dînamîk (Wêne 4c, d), torsiona dînamîkî (Wêne 4e, f) , û kêşana dînamîk + torsion (Wêne 4g, h), performansa çerxa barkirin-dakêşana baterî û keviya voltaja têkildar nayê bandor kirin. Wêneyê 4i performansa pîlê bi yekîneyek hilanîna enerjiyê ya rengîn nîşan dide. Kapasîteya dakêşanê ji 133.3 mAm g-1 berbi 129.9 mAh g-1 dadikeve, û windabûna kapasîteyê ji her çerxê tenê %0.04 e, ku destnîşan dike ku deformasyon dê bandorê li aramiya dewrê û kapasîteya dakêşanê neke.

Figure 4 (a) Testa çerxa barkirin û dakêşanê ya konfigurasyonên cihêreng ên şaneyên silindrîk di 1 C de; (b) Lihevhatina barkirin û dakêşana pîlê di bin şert û mercên cûda de; (c, d) Performansa çerxê û barkirina pîlê di binê tansiyona dînamîkî de Kûpa dakêşanê; (e, f) performansa çerxa pîlê di bin torziyona dînamîkî de û kembera barkirin-dakêşandinê ya têkildar di bin çerxên cihêreng de; (g, h) performansa çerxa pîlê di bin çîçeka dînamîkî + torsion û kêşa barkirin-dakêşandinê ya têkildar di bin çerxên cihêreng de; (I) Testa barkirin û dakêşana bataryayên yekîneya prizmatîk ên bi veavakirinên cihêreng di 1 C de.

Ji bo nirxandina sepana bataryaya maqûl a pêşkeftî di pratîkê de, nivîskar bataryayên tije bi cûrbecûr yekîneyên hilanîna enerjiyê bikar tîne da ku hin hilberên elektronîkî yên bazirganî hêz bike, wek guh, demjimêrên biaqil, fanên elektrîkê yên piçûk, amûrên kozmetîkî, û têlefonên zîrek. Her du jî ji bo karanîna rojane bes in, bi tevahî potansiyela serîlêdanê ya hilberên elektronîkî yên cihêreng ên maqûl û pêçandî vedihewînin.

Xiflteya 5 pîlê sêwirandî li guh, demjimêrên biaqil, fenerên elektrîkê yên piçûk, alavên kozmetîkî, û têlefonan bicîh tîne. Pîlê maqûl hêzê ji bo (a) guh, (b) demjimêrên biaqil, û (c) fenerên elektrîkê yên piçûk peyda dike; (d) hêza ji bo alavên kozmetîkî peyda dike; (e) di bin şert û mercên cûda yên deformasyonê de, pîlê maqûl hêzê ji bo têlefonan peyda dike.

Kurte û nêrîn

Bi kurtahî, ev gotar ji avahiya hevokên mirovan ve hatî îlhama kirin. Ew rêbazek sêwiranê ya yekta ji bo çêkirina bataryek maqûl ya bi tîrêjiya enerjiya bilind, deformbûna pirjimar, û domdarî pêşniyar dike. Li gorî LIB-ên maqûl ên kevneşopî, ev sêwirana nû dikare bi bandor ji deformasyona plastîk a berhevkarê metalê yê heyî dûr bikeve. Di heman demê de, rûvên kelandî yên ku li her du dawiya yekîneya hilanîna enerjiyê ya ku di vê kaxezê de hatî sêwirandin hatine veqetandin, dikarin bi bandor stresa herêmî ya pêkhateyên bi hev ve girêdayî rabikin. Digel vê yekê, rêbazên pêlhev ên cihêreng dikarin şeklê stikê biguhezînin, û guhezbarbûna têra pîlê dide. Bateryaya maqûl bi saya sêwirana nû îstîqrara çerxê û domdariya mekanîkî ya hêja destnîşan dike û di cûrbecûr hilberên elektronîkî yên maqûl û guhezbar de xwedan perspektîfên serîlêdanê yên berfireh e.

Lînka wêjeyê

Sêwirana avahîsaziyê ya bi îlhama mirovî ya ji bo bataryaya guhezbar / pêçandî / dirêjkirî / zivirî: bi destxistina deformasyona pirjimar. (Environ Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)