Hong Kong CityU EES՝ ճկուն լիթիում-իոնային մարտկոց՝ ոգեշնչված մարդու հոդերից

Հետազոտության ֆոնը

Էլեկտրոնային արտադրանքի աճող պահանջարկը վերջին տարիներին նպաստել է ճկուն և էներգիայի բարձր խտությամբ պահեստավորման սարքերի արագ զարգացմանը: Ճկուն լիթիումի իոնային մարտկոցներ Բարձր էներգիայի խտությամբ և կայուն էլեկտրաքիմիական կատարողականությամբ (LIB-ները) համարվում են մարտկոցների ամենահեռանկարային տեխնոլոգիան կրելի էլեկտրոնային արտադրանքների համար: Թեև բարակ թաղանթով էլեկտրոդների և պոլիմերային հիմքով էլեկտրոդների օգտագործումը կտրուկ բարելավում է LIB-ների ճկունությունը, կան հետևյալ խնդիրները.

(1) Ճկուն մարտկոցների մեծ մասը կուտակված է «բացասական էլեկտրոդ-բաժանարար-դրական էլեկտրոդով», և դրանց սահմանափակ դեֆորմացիան և բազմաշերտ կույտերի միջև սահելը սահմանափակում է LIB-ների ընդհանուր աշխատանքը.

(2) Որոշ ավելի ծանր պայմաններում, ինչպիսիք են ծալումը, ձգումը, ոլորումը և բարդ դեֆորմացիան, այն չի կարող երաշխավորել մարտկոցի աշխատանքը.

(3) Դիզայնի ռազմավարության մի մասը անտեսում է ընթացիկ մետաղական կոլեկցիոների դեֆորմացիան:

Հետևաբար, դրա թեթև ճկման անկյան, բազմաթիվ դեֆորմացիայի ռեժիմների, բարձր մեխանիկական ամրության և էներգիայի բարձր խտության միաժամանակ հասնելը դեռևս բախվում է բազմաթիվ մարտահրավերների:

ներածություն

Վերջերս պրոֆեսոր Չունի Չժին և Հոնկոնգի քաղաքային համալսարանի դոկտոր Կուպինգ Հանը հրապարակեցին «Մարդու համատեղ ներշնչված կառուցվածքային դիզայնը ճկվող/ծալվող/ձգվող/ոլորվող մարտկոցի համար. բազմակի դեֆորմացման հասնելու համար» վերնագրով աշխատություն Էներգետիկ միջավայրում: Գիտ. Այս աշխատանքը ոգեշնչվել է մարդու հոդերի կառուցվածքից և նախագծել է մի տեսակ ճկուն LIB-ներ, որոնք նման են հոդային համակարգին: Այս նոր դիզայնի հիման վրա պատրաստված, ճկուն մարտկոցը կարող է հասնել էներգիայի բարձր խտության և թեքվել կամ նույնիսկ ծալվել 180°-ով: Միևնույն ժամանակ, կառուցվածքային կառուցվածքը կարող է փոխվել ոլորման տարբեր մեթոդների միջոցով, որպեսզի ճկուն LIB-ները ունենան հարուստ դեֆորմացիոն հնարավորություններ, կարող են կիրառվել ավելի ծանր և բարդ դեֆորմացիաների (ոլորում և ոլորում) և նույնիսկ կարող են ձգվել, և դրանց դեֆորմացման հնարավորությունները ճկուն LIB-ների նախորդ զեկույցներից շատ ավելին: Վերջնական տարրերի մոդելավորման վերլուծությունը հաստատեց, որ այս հոդվածում նախագծված մարտկոցը չի ենթարկվի ընթացիկ մետաղական կոլեկտորի անդառնալի պլաստիկ դեֆորմացիայի տարբեր կոշտ և բարդ դեֆորմացիաների ներքո: Միևնույն ժամանակ, հավաքված քառակուսի միավորի մարտկոցը կարող է հասնել մինչև 371.9 Վտ/ժ էներգիայի խտության, ինչը կազմում է ավանդական փափուկ փաթեթի մարտկոցի 92.9%-ը: Բացի այդ, այն կարող է պահպանել ցիկլի կայուն կատարումը նույնիսկ ավելի քան 200,000 անգամ դինամիկ ճկումից և 25,000 անգամ դինամիկ աղավաղումից հետո:

Հետագա հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ հավաքված գլանաձև միավոր բջիջը կարող է դիմակայել ավելի ծանր և բարդ դեֆորմացիաների: Ավելի քան 100,000 դինամիկ ձգումներից, 20,000 պտույտներից և 100,000 ճկվող դեֆորմացիաներից հետո այն դեռ կարող է հասնել ավելի քան 88% հզորության՝ պահպանման արագության: Հետևաբար, այս փաստաթղթում առաջարկված ճկուն LIB-ները հսկայական հեռանկար են ապահովում կրելի էլեկտրոնիկայի մեջ գործնական կիրառման համար:

Հետազոտության ուշադրության կենտրոնում

1) Ճկուն LIB-ները, որոնք ներշնչված են մարդու հոդերից, կարող են պահպանել կայուն ցիկլի կատարումը ճկման, ոլորման, ձգվելու և ոլորման դեֆորմացիաների դեպքում.

(2) Քառակուսի ճկուն մարտկոցով այն կարող է հասնել մինչև 371.9 Վտ/ժ էներգիայի խտության, որը կազմում է ավանդական փափուկ փաթեթի մարտկոցի 92.9%-ը.

(3) Փաթաթման տարբեր մեթոդները կարող են փոխել մարտկոցի կույտի ձևը և մարտկոցին տալ բավարար դեֆորմացիա:

Գրաֆիկական ուղեցույց

Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ ի լրումն բարձր ծավալային էներգիայի խտության և ավելի բարդ դեֆորմացիայի ապահովման, կառուցվածքային դիզայնը պետք է նաև խուսափի ընթացիկ կոլեկտորի պլաստիկ դեֆորմացումից: Վերջավոր տարրերի մոդելավորումը ցույց է տալիս, որ ընթացիկ կոլեկտորի լավագույն մեթոդը պետք է լինի կանխել ընթացիկ կոլեկտորը ճկման գործընթացի ընթացքում փոքր ճկման շառավղով, որպեսզի խուսափի ընթացիկ կոլեկտորի պլաստիկ դեֆորմացումից և անդառնալի վնասից:

Նկար 1ա-ն ցույց է տալիս մարդու հոդերի կառուցվածքը, որում խելացիորեն ավելի մեծ կոր մակերեսի ձևավորումն օգնում է հոդերին սահուն պտտվել: Դրա հիման վրա Նկար 1b-ը ցույց է տալիս տիպիկ գրաֆիտի անոդ/դիֆրագմ/լիթիումի կոբալտատ (LCO) անոդ, որը կարող է փաթաթվել քառակուսի հաստ կույտի կառուցվածքի մեջ: Միացման վայրում այն ​​բաղկացած է երկու հաստ կոշտ կույտերից և ճկուն մասից: Ավելի կարևոր է, որ հաստ կույտը ունի հոդերի ոսկրային ծածկույթին համարժեք կոր մակերես, որն օգնում է բուֆերային ճնշմանը և ապահովում ճկուն մարտկոցի առաջնային հզորությունը: Էլաստիկ հատվածը գործում է որպես կապան՝ միացնելով հաստ կույտերը և ապահովելով ճկունություն (Նկար 1c): Բացի քառակուսի կույտի մեջ ոլորելուց, գլանաձև կամ եռանկյուն բջիջներով մարտկոցներ կարող են արտադրվել նաև ոլորման մեթոդը փոխելով (Նկար 1դ): Էներգախնայողության քառակուսի միավորներով ճկուն LIB-ների համար փոխկապակցված հատվածները ճկման գործընթացում կպտտվեն հաստ կույտի աղեղաձև մակերևույթի երկայնքով (Նկար 1e), դրանով իսկ զգալիորեն մեծացնելով ճկուն մարտկոցի էներգիայի խտությունը: Բացի այդ, առաձգական պոլիմերային պարուրման միջոցով գլանաձև միավորներով ճկուն LIB-ները կարող են ձեռք բերել ձգվող և ճկուն հատկություններ (Նկար 1f):

Նկար 1 (ա) եզակի կապանների միացման և կոր մակերևույթի ձևավորումը կարևոր է ճկունություն ձեռք բերելու համար. բ) ճկուն մարտկոցի կառուցվածքի և արտադրության գործընթացի սխեմատիկ դիագրամ. գ) ոսկորը համապատասխանում է ավելի հաստ էլեկտրոդների կույտին, իսկ կապանը համապատասխանում է չոլորված (D) մարտկոցի ճկուն կառուցվածքը՝ գլանաձև և եռանկյունաձև բջիջներով. ե) քառակուսի բջիջների սխեմատիկ դիագրամ. զ) գլանաձեւ բջիջների ձգվող դեֆորմացիա.

Մեխանիկական մոդելավորման վերլուծության հետագա օգտագործումը հաստատեց մարտկոցի ճկուն կառուցվածքի կայունությունը: Նկար 2ա-ն ցույց է տալիս պղնձի և ալյումինե փայլաթիթեղի լարվածության բաշխումը, երբ թեքվում է գլան (180° ռադիան): Արդյունքները ցույց են տալիս, որ պղնձի և ալյումինե փայլաթիթեղի լարվածությունը շատ ավելի ցածր է, քան դրանց թողունակությունը, ինչը ցույց է տալիս, որ այս դեֆորմացիան չի առաջացնի պլաստիկ դեֆորմացիա: Ներկայիս մետաղական կոլեկցիոները կարող է խուսափել անդառնալի վնասներից:

Նկար 2b-ը ցույց է տալիս լարվածության բաշխումը, երբ ճկման աստիճանը հետագայում ավելանում է, և պղնձե փայլաթիթեղի և ալյումինե փայլաթիթեղի լարվածությունը նույնպես փոքր է դրանց համապատասխան զիջման ուժից: Հետեւաբար, կառուցվածքը կարող է դիմակայել ծալովի դեֆորմացիային՝ պահպանելով լավ ամրությունը: Բացի ճկման դեֆորմացիայից, համակարգը կարող է հասնել որոշակի աստիճանի աղավաղման (Նկար 2c):

Գլանաձև ագրեգատներով մարտկոցների համար, շրջանակի բնորոշ բնութագրերի շնորհիվ, այն կարող է հասնել ավելի ծանր և բարդ դեֆորմացիայի: Հետևաբար, երբ մարտկոցը ծալվում է մինչև 180o (Նկար 2d, e), ձգվում է սկզբնական երկարության մոտ 140%-ով (Նկար 2f) և ոլորվում է մինչև 90o (Նկար 2g), այն կարող է պահպանել մեխանիկական կայունությունը: Բացի այդ, երբ կռում + ոլորումը և ոլորման դեֆորմացիան կիրառվում են առանձին, LIB-ների նախագծված կառուցվածքը չի առաջացնի ընթացիկ մետաղական կոլեկտորի անդառնալի պլաստիկ դեֆորմացիա տարբեր ծանր և բարդ դեֆորմացիաների ներքո:

Նկար 2 (ac) Վերջավոր տարրերի մոդելավորման արդյունքները քառակուսի բջիջի ճկման, ծալման և ոլորման տակ; (դ) գլանաձև բջիջի վերջավոր տարրերի մոդելավորման արդյունքները ճկման, ծալման, ձգման, ոլորման, ճկման + ոլորման և ոլորման տակ:

Նախագծված ճկուն մարտկոցի էլեկտրաքիմիական աշխատանքը գնահատելու համար LiCoO2-ն օգտագործվել է որպես կաթոդ նյութ՝ լիցքաթափման հզորությունը և ցիկլի կայունությունը ստուգելու համար: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 3ա-ում, քառակուսի բջիջներով մարտկոցի լիցքաթափման հզորությունը էականորեն չի կրճատվում այն ​​բանից հետո, երբ ինքնաթիռը դեֆորմացվում է, որպեսզի այն կռվի, օղակի, ծալվի և ոլորվի 1 C մեծացմամբ, ինչը նշանակում է, որ մեխանիկական դեֆորմացիան չի առաջացնի նախագծման ձևավորում: ճկուն մարտկոցը պետք է լինի էլեկտրաքիմիական Արդյունավետությունը նվազում է: Նույնիսկ դինամիկ ճկումից հետո (Նկար 3c, d) և դինամիկ ոլորումներից հետո (Նկար 3e, f), և որոշակի քանակությամբ ցիկլերից հետո լիցքավորման և լիցքաթափման հարթակը և երկար ցիկլի կատարումը ակնհայտ փոփոխություններ չեն ունենում, ինչը նշանակում է, որ ներքին կառուցվածքը. մարտկոցը լավ պաշտպանված է:

Նկար 3 (ա) քառակուսի միավոր մարտկոցի լիցքավորման և լիցքաթափման փորձարկում 1C ջերմաստիճանի տակ; բ) լիցքավորման և լիցքաթափման կորը տարբեր պայմաններում. գ, դ) դինամիկ ճկման, մարտկոցի ցիկլի կատարման և համապատասխան լիցքավորման և լիցքաթափման կորի պայմաններում. ե, զ) դինամիկ ոլորման պայմաններում մարտկոցի ցիկլի կատարումը և համապատասխան լիցքաթափման կորը տարբեր ցիկլերի դեպքում։

Մոդելավորման վերլուծության արդյունքները ցույց են տալիս, որ շրջանակի բնորոշ բնութագրերի շնորհիվ գլանաձև տարրերով ճկուն LIB-ները կարող են դիմակայել ավելի ծայրահեղ և բարդ դեֆորմացիաներին: Հետևաբար, գլանաձև միավորի ճկուն LIB-ների էլեկտրաքիմիական կատարումը ցուցադրելու համար փորձարկումն իրականացվել է 1 C արագությամբ, ինչը ցույց է տվել, որ երբ մարտկոցը ենթարկվում է տարբեր դեֆորմացիաների, էլեկտրաքիմիական կատարողականության մեջ գրեթե փոփոխություն չկա: Դեֆորմացիան չի հանգեցնի լարման կորի փոփոխության (Նկար 4ա, բ):

Գլանաձև մարտկոցի էլեկտրաքիմիական կայունությունը և մեխանիկական ամրությունը հետագա գնահատելու համար այն մարտկոցը ենթարկեց դինամիկ ավտոմատացված բեռի փորձարկման՝ 1 C արագությամբ: Հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ դինամիկ ձգվելուց հետո (Նկար 4c, d), դինամիկ ոլորում (Նկար 4e, f) , և դինամիկ կռում + ոլորում (Նկար 4g, h), մարտկոցի լիցքավորման-լիցքաթափման ցիկլի կատարումը և համապատասխան լարման կորը չեն ազդում: Նկար 4i-ը ցույց է տալիս էներգիայի գունագեղ կուտակիչով մարտկոցի աշխատանքը: Լիցքաթափման հզորությունը նվազում է 133.3 մԱմ գ-1-ից մինչև 129.9 մԱժ գ-1, իսկ հզորության կորուստը մեկ ցիկլով կազմում է ընդամենը 0.04%, ինչը ցույց է տալիս, որ դեֆորմացիան չի ազդի դրա ցիկլի կայունության և լիցքաթափման հզորության վրա:

Նկար 4 (ա) գլանային խցերի տարբեր կոնֆիգուրացիաների լիցքավորման և լիցքաթափման ցիկլի փորձարկում 1 C ջերմաստիճանում; բ) տարբեր պայմաններում մարտկոցի լիցքավորման և լիցքաթափման համապատասխան կորեր. գ, դ) ցիկլի կատարումը և մարտկոցի լիցքավորումը դինամիկ լարվածության պայմաններում Լիցքաթափման կորի. ե, զ) մարտկոցի ցիկլի կատարումը դինամիկ ոլորման և համապատասխան լիցքաթափման կորի տարբեր ցիկլերի դեպքում. է, ը) մարտկոցի ցիկլի կատարումը դինամիկ ճկման + ոլորման և համապատասխան լիցք-լիցքաթափման կորի տարբեր ցիկլերի դեպքում. (I) 1 C ջերմաստիճանում տարբեր կոնֆիգուրացիաներով պրիզմատիկ միավորի մարտկոցների լիցքավորման և լիցքաթափման փորձարկում:

Մշակված ճկուն մարտկոցի կիրառումը գործնականում գնահատելու համար հեղինակը օգտագործում է լրիվ մարտկոցներ տարբեր տեսակի էներգիայի պահեստավորման միավորներով՝ սնուցելու որոշ առևտրային էլեկտրոնային արտադրանքներ, ինչպիսիք են ականջակալները, խելացի ժամացույցները, մինի էլեկտրական օդափոխիչները, կոսմետիկ գործիքները և սմարթ հեռախոսները: Երկուսն էլ բավարար են ամենօրյա օգտագործման համար, լիովին մարմնավորում են տարբեր ճկուն և կրելի էլեկտրոնային արտադրանքների կիրառման ներուժը:

Նկար 5-ը կիրառում է նախագծված մարտկոցը ականջակալների, խելացի ժամացույցների, մինի էլեկտրական օդափոխիչների, կոսմետիկ սարքավորումների և սմարթֆոնների վրա: Ճկուն մարտկոցը էներգիա է մատակարարում (ա) ականջակալներին, (բ) խելացի ժամացույցներին և (գ) մինի էլեկտրական հովհարներին. դ) էներգիա է մատակարարում կոսմետիկ սարքավորումների համար. ե) տարբեր դեֆորմացիայի պայմաններում ճկուն մարտկոցը էներգիա է մատակարարում սմարթֆոններին:

Ամփոփում և հեռանկար

Ամփոփելով, այս հոդվածը ոգեշնչված է մարդու հոդերի կառուցվածքով: Այն առաջարկում է եզակի դիզայնի մեթոդ բարձր էներգիայի խտությամբ, բազմակի դեֆորմացվողությամբ և երկարակեցությամբ ճկուն մարտկոցի արտադրության համար: Համեմատած ավանդական ճկուն LIB-ների հետ՝ այս նոր դիզայնը կարող է արդյունավետորեն խուսափել ընթացիկ մետաղական կոլեկցիոների պլաստիկ դեֆորմացիայից: Միևնույն ժամանակ, այս փաստաթղթում նախագծված էներգիայի պահպանման միավորի երկու ծայրերում պահված կոր մակերեսները կարող են արդյունավետորեն թուլացնել փոխկապակցված բաղադրիչների տեղական սթրեսը: Բացի այդ, ոլորման տարբեր մեթոդները կարող են փոխել կույտի ձևը՝ մարտկոցին տալով բավարար դեֆորմացիա։ Ճկուն մարտկոցը ցուցադրում է գերազանց ցիկլի կայունություն և մեխանիկական ամրություն՝ շնորհիվ նոր դիզայնի և ունի լայն կիրառման հեռանկարներ տարբեր ճկուն և կրելի էլեկտրոնային արտադրանքներում:

Գրականության հղում

Մարդկային հոդերի ներշնչված կառուցվածքային ձևավորում՝ ճկվող/ծալվող/ձգվող/ոլորվող մարտկոցի համար. բազմակի դեֆորմացման հասնելու համար: (Էներգետիկ միջավայր. Գիտ., 2021, DOI՝ 10.1039/D1EE00480H)