ʻO Hong Kong CityU EES: ʻO ka pākaukau lithium-ion maʻalahi i hoʻoulu ʻia e nā hui kanaka

Kahua ʻImi

ʻO ka piʻi nui ʻana o ka noi no nā huahana uila ua hoʻolaha i ka hoʻomohala wikiwiki ʻana o nā mea mālama maʻalahi a kiʻekiʻe i ka ikehu i nā makahiki i hala. ʻO nā pākahi lithium ion maʻalahi (LIBs) me ka ikehu kiʻekiʻe a me ka hana electrochemical paʻa i manaʻo ʻia ʻo ia ka ʻenehana pākaukau maikaʻi loa no nā huahana uila hiki ke hoʻohana. ʻOiai ʻo ka hoʻohana ʻana i nā electrodes kiʻiʻoniʻoni lahilahi a me nā electrodes-based polymer e hoʻomaikaʻi nui i ka maʻalahi o nā LIB, aia nā pilikia ma lalo nei:

(1) Hoʻopaʻa ʻia ka hapa nui o nā ʻaniani maʻalahi e "electrode-separator-positive electrode maikaʻi ʻole," a ʻo kā lākou deformability palena a me ka paheʻe ʻana ma waena o nā waihona multilayer e kāohi i ka hana holoʻokoʻa o nā LIB;

(2) Ma lalo o kekahi mau kūlana koʻikoʻi, e like me ka pelu ʻana, ka hohola ʻana, ka wili, a me ka hoʻololi paʻakikī, ʻaʻole hiki ke hōʻoiaʻiʻo i ka hana pākaukau;

(3) He hapa o ka hoʻolālā hoʻolālā e nānā ʻole i ka deformation o ka ʻohi metala o kēia manawa.

No laila, i ka manawa like e hoʻokō ai i kona kihi liʻiliʻi liʻiliʻi, nā ʻano deformation he nui, ʻoi aku ka maikaʻi o ka mechanical durability, a me ka nui o ka ikehu kiʻekiʻe ke kū nei i nā pilikia he nui.

Introduction

I kēia mau lā, ua paʻi ʻo Polofesa Chunyi Zhi lāua ʻo Kauka Cuiping Han o ke Kula Nui o ke kūlanakauhale ʻo Hong Kong i kahi pepa i kapa ʻia "Human joint inspired structural design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability" ma Energy Environ. ʻO Sci. Ua hoʻoikaika ʻia kēia hana e ke ʻano o nā hui kanaka a ua hoʻolālā i kahi ʻano LIB maʻalahi e like me ka ʻōnaehana hui. Ma muli o kēia hoʻolālā noʻonoʻo, hiki i ka pākaukau hoʻomākaukau a hiki ke hoʻokō i ka nui o ka ikehu kiʻekiʻe a kūlou a i ʻole ʻia i 180°. I ka manawa like, hiki ke hoʻololi ʻia ke ʻano hana ma o nā ʻano wili like ʻole i loaʻa i nā LIB maʻalahi nā mana deformation waiwai, hiki ke hoʻohana ʻia i nā deformations ʻoi aku ka paʻakikī a paʻakikī (ka wili a me ka wili), a hiki ke hoʻolōʻihi ʻia, a ʻo kā lākou hiki ke hoʻololi. ʻoi aku ma mua o nā hōʻike mua o nā LIB maʻalahi. Ua hōʻoia ʻia ka hōʻike ʻana i ka simulation element hope ʻaʻole e loaʻa i ka pākaukau i hoʻolālā ʻia i loko o kēia pepa i ka hoʻololi ʻana i ka plastic deformation o ka ʻohi metala o kēia manawa ma lalo o nā ʻano hoʻololi paʻakikī. Ma ka manawa like, hiki i ka ʻāpana ʻāpana ʻāpana hui ke loaʻa i ka nui o ka ikehu a hiki i ka 371.9 Wh/L, ʻo ia ka 92.9% o ka pā uila palupalu maʻamau. Eia kekahi, hiki iā ia ke hoʻomau i ka hana pōʻai paʻa ma hope o 200,000 mau manawa o ka dynamic bending a me 25,000 mau manawa o ka distortion dynamic.

Hōʻike nā noiʻi hou aʻe e hiki i ka cell unit cylindrical i hui ʻia ke kū i nā deformation ʻoi aku ka paʻakikī a paʻakikī. Ma hope o 100,000 dynamic stretching, 20,000 twists, a me 100,000 bending deformations, hiki nō ke hoʻokō i ka mana kiʻekiʻe ma mua o 88%—ka paʻa paʻa. No laila, ʻo nā LIB maʻalahi i manaʻo ʻia ma kēia pepa e hāʻawi i kahi manaʻo nui no nā noi kūpono i nā mea uila hiki ke hoʻohana.

Nā manaʻo kiʻekiʻe noiʻi

1) Hiki i nā LIB maʻalahi, i hoʻoulu ʻia e nā hui kanaka, hiki ke mālama i ka hana pōʻai paʻa ma lalo o ke kulou ʻana, ka wili, ka hoʻopololei ʻana, a me ka hoʻololi ʻana i ka wili;

(2) Me ka pākuʻi maʻalahi, hiki iā ia ke hoʻokō i ka nui o ka ikehu a hiki i 371.9 Wh/L, ʻo ia ka 92.9% o ka puʻupuʻu palupalu palupalu;

(3) Hiki ke hoʻololi i ke ʻano o ke ʻano o ka puʻu pākaukau a hāʻawi i ka deformability kūpono i ka pākaukau.

alakaʻi kiʻi

Ua hōʻike ʻia ka noiʻi, ma kahi o ka hōʻoia ʻana i ka nui o ka ikehu kiʻekiʻe a me ka deformation paʻakikī, pono e pale aku ka hoʻolālā hoʻolālā i ka deformation plastic o ka ʻohi o kēia manawa. Hōʻike ka simulation element hope ʻo ke ala maikaʻi loa o ka ʻohi o kēia manawa ʻo ia ke pale ʻana i ka ʻohi o kēia manawa mai ka loaʻa ʻana o kahi radius piʻo liʻiliʻi i ka wā o ke kaʻina kuʻi e pale aku i ka deformation plastic a me ka pōʻino hiki ʻole o ka ʻohi o kēia manawa.

Hōʻike ka Kiʻi 1a i ke ʻano o nā ami kanaka, kahi e kōkua ai ka hoʻolālā ʻana o ka ʻili curved i ke akamai i ka ʻōwili ʻana me ka maʻalahi. Ma muli o kēia, hōʻike ka Figure 1b i kahi anode graphite maʻamau/diaphragm/lithium cobaltate (LCO) anode, hiki ke ʻeha ʻia i loko o kahi ʻano ʻāpana mānoanoa huinahā. Ma ka hui ʻana, aia ʻelua pūʻulu paʻa mānoanoa a me kahi ʻāpana maʻalahi. ʻO ka mea nui aku, ʻo ka ʻili mānoanoa he ʻili curved e like me ka uhi iwi hui, e kōkua ana i ke kaomi pale a hāʻawi i ka mana mua o ka pākaukau maʻalahi. Hana ʻia ka ʻāpana elastic ma ke ʻano he ligament, e hoʻopili ana i nā ʻōpala mānoanoa a hāʻawi i ka maʻalahi (Figure 1c). Ma waho aʻe o ka wili ʻana i loko o kahi puʻu huinahā, hiki ke hana ʻia nā pila me nā cell cylindrical a triangular paha ma o ka hoʻololi ʻana i ke ʻano wili (Figure 1d). No nā LIB maʻalahi me nā ʻāpana hoʻopaʻa ikehu huinahā, e ʻōwili ʻia nā ʻāpana pili ma ka ʻili o ke ʻano poʻo o ka pā mānoanoa i ka wā o ke kaʻina kulou (Figure 1e), ma laila e hoʻonui nui ai i ka nui o ka ikehu o ka puʻukū maʻalahi. Eia hou, ma o ka elastic polymer encapsulation, hiki i nā LIB maʻalahi me nā ʻāpana cylindrical ke hoʻokō i nā waiwai stretchable a maʻalahi (Figure 1f).

Kiʻi 1 (a) ʻO ka hoʻolālā ʻana o ka pilina ligament kūʻokoʻa a me ka ʻaoʻao curved he mea nui ia e hoʻokō ai i ka maʻalahi; (b) Kiʻikuhi schematic o ka hoʻolālā pākaukau maʻalahi a me ke kaʻina hana hana; (c) pili ka iwi i ka puʻu electrode mānoanoa, a pili ka ligament me ka wehe ʻole ʻia (D) ʻO ke ʻano o ka pākaukau maʻalahi me nā cell cylindrical a me triangular; (e) Hoʻopaʻa kiʻi kiʻi kiʻi o nā ʻāpana huinaha; (f) Ka hoʻopololei ʻana o nā ʻāpana cylindrical.

ʻO ka hoʻohana hou ʻana i ka loiloi simulation mechanical i hōʻoia i ka paʻa o ka hoʻonohonoho ʻana o ka pā uila. Hōʻike ka Kiʻi 2a i ka puʻunaue koʻikoʻi o ke keleawe a me ke alumini i ka wā e hoʻokuʻu ʻia ai i loko o ka cylinder (180° radian). Hōʻike nā hopena i ka haʻahaʻa loa o ke koʻikoʻi o ke keleawe a me ka alumini foil ma mua o ko lākou ikaika hua, e hōʻike ana ʻaʻole kēia deformation e hana i ka deformation plastic. Hiki i ka ʻohi metala o kēia manawa ke pale i ka pōʻino hiki ʻole ke hoʻihoʻi ʻia.

Hōʻike ka Figure 2b i ka puʻunaue koʻikoʻi ke hoʻonui hou ʻia ke degere o ka piʻi ʻana, a ʻoi aku ka liʻiliʻi o ke koʻikoʻi o ka pahu keleawe a me ka pahu alumini ma mua o ko lākou ikaika hua like. No laila, hiki i ka hale ke pale i ka deformation pelu ʻoiai e mālama ana i ka paʻa maikaʻi. Ma waho aʻe o ka hoʻoheheʻe ʻana, hiki i ka ʻōnaehana ke hoʻokō i kahi pae o ka distortion (Figure 2c).

No nā pila me nā ʻāpana cylindrical, ma muli o nā ʻano kūlohelohe o ka pōʻai, hiki iā ia ke hoʻokō i ka deformation koʻikoʻi a paʻakikī. No laila, i ka wā e hoʻopili ʻia ai ka pākaukau i 180o (Figure 2d, e), hohola ʻia ma kahi o 140% o ka lōʻihi kumu (Figure 2f), a wili i 90o (Figure 2g), hiki iā ia ke mālama i ke kūpaʻa mechanical. Eia kekahi, i ka wā e hoʻopili kaʻawale ʻia ai ke kuʻi + wili a me ka hoʻoheheʻe ʻana i ka wili, ʻaʻole e hoʻoneʻe ʻia ka hoʻolālā ʻana o ka LIB i hoʻolālā ʻia o ka ʻohi metala o kēia manawa ma lalo o nā ʻano deformations koʻikoʻi a paʻakikī.

Kiʻi 2 (ac) Nā hualoaʻa hoʻohālikelike ʻeleʻele hope o kahi keena huinaha ma lalo o ka piko, pelu, a me ka wili; (di) Nā hualoaʻa hoʻohālikelike ʻeleʻele hope o kahi pūnaʻi cylindrical ma lalo o ke kuʻi, ka pelu ʻana, ka ʻōloli ʻana, ka wili ʻana, ke kuʻi + wili a me ka wili.

No ka loiloi ʻana i ka hana electrochemical o ka pākaukau maʻalahi i hoʻolālā ʻia, ua hoʻohana ʻia ʻo LiCoO2 ma ke ʻano he cathode mea e hoʻāʻo ai i ka hiki ke hoʻokuʻu a me ka paʻa o ka pōʻai. E like me ka mea i hōʻike ʻia ma ka Figure 3a, ʻaʻole i hoʻemi nui ʻia ka hiki ke hoʻokuʻu ʻia o ka pākaukau me nā cell square ma hope o ka hoʻoheheʻe ʻia ʻana o ka mokulele e kūlou, apo, pelu, a wili ʻia i ka hoʻonui 1 C, ʻo ia hoʻi, ʻaʻole e hoʻokumu ka deformation mechanical i ka hoʻolālā ʻana. ʻO ka pākaukau maʻalahi e lilo i electrochemically hāʻule ka hana. ʻOiai ma hope o ke kuʻi ʻana (Figure 3c, d) a me ka torsion dynamic (Figure 3e, f), a ma hope o kekahi helu o nā pōʻai, ʻaʻohe loli o ka hoʻouka ʻana a me ka hoʻokuʻu ʻana a me ka hana lōʻihi, ʻo ia hoʻi, ʻo ke ʻano o loko. mālama pono ʻia ka pākaukau.

Kiʻi 3 (a) ʻO ka hoʻāʻo ʻana a me ka hoʻokuʻu ʻana o ka pākahiko ʻāpana huinaha ma lalo o 1C; (b) Ka hoʻouka a me ka hoʻokuʻu ʻana ma lalo o nā kūlana like ʻole; (c, d) Ma lalo o ke kulou ikaika, ka hoʻokō ʻana i ka pōʻaiapili pākaukau a me ka pihi hoʻoili a me ka hoʻokuʻu ʻana; (e, f) Ma lalo o ka dynamic torsion, ka hana pōʻai o ka pākaukau a me ka pihi hoʻokuʻu uku ma lalo o nā pōʻai like ʻole.

Hōʻike nā hopena hōʻike hoʻohālikelike e mahalo i nā ʻano kūlohelohe o ka pōʻai, hiki i nā LIB maʻalahi me nā mea cylindrical ke kūpaʻa i nā deformation koʻikoʻi a paʻakikī. No laila, e hōʻike i ka hana electrochemical o nā LIB maʻalahi o ka ʻāpana cylindrical, ua hoʻokō ʻia ka hoʻāʻo ʻana ma ka helu o 1 C, i hōʻike ʻia i ka wā e hana ai ka pākaukau i nā deformations like ʻole, aneane ʻaʻohe loli i ka hana electrochemical. ʻAʻole e hoʻololi ka deformation i ka pihi uila (Figure 4a, b).

No ka loiloi hou ʻana i ke kūpaʻa electrochemical o ka pahu cylindrical a me ka lōʻihi mechanical, ua hoʻokau ʻia ka pākaukau i kahi hoʻāʻo hoʻouka ʻana i ka 1 C. Hōʻike ka noiʻi ma hope o ka hoʻolōʻihi ʻana (Figure 4c, d), torsion dynamic (Figure 4e, f) , a me ka dynamic bending + torsion (Figure 4g, h), ʻaʻole i hoʻopilikia ʻia ka hana pōʻaiapuni o ka hoʻoiho ʻana o ka pākaukau a me ka pihi uila pili. Hōʻike ke kiʻi 4i i ka hana ʻana o kahi pākaukau me kahi ʻāpana mālama ikehu waihoʻoluʻu. Hiki ke pohō ka mana hoʻokuʻu mai ka 133.3 mAm g-1 a i ka 129.9 mAh g-1, a ʻo 0.04% wale nō ka nalowale o ka hiki i kēlā me kēia pōʻai, e hōʻike ana ʻaʻole e pili ka deformation i kona kūpaʻa a me ka hiki ke hoʻokuʻu.

Kiʻi 4 (a) Ka hoʻāʻo ʻana i ka pōʻaiapuni o ka hoʻopaʻa ʻana a me ka hoʻokuʻu ʻana o nā ʻano hoʻonohonoho like ʻole o nā keena cylindrical ma 1 C; (b) E pili ana i ka hoʻopiʻi a me ka hoʻokuʻu ʻana o ka pila ma lalo o nā kūlana like ʻole; (c, d) Ka hana kaʻapuni a me ka hoʻouka ʻana o ka pākaukau ma lalo o ka pihi hoʻokuʻu ʻana; (e, f) ka hana pōʻaiapuni o ka pākaukau ma lalo o ka torsion dynamic a me ka pihi hoʻokuʻu hoʻoili pili ma lalo o nā pōʻai like ʻole; (g, h) ka hana pōʻaiapuni o ka pākaukau ma lalo o ka dynamic bending + torsion a me ka pihi hoʻokuʻu hoʻoili pili ma lalo o nā pōʻai like ʻole; (I) Ho'āʻo hoʻopaʻa a hoʻokuʻu ʻia o nā ʻāpana ʻāpana prismatic me nā hoʻonohonoho like ʻole ma 1 C.

No ka loiloi ʻana i ka hoʻohana ʻana o ka pākaukau maʻalahi i hoʻomohala ʻia i ka hoʻomaʻamaʻa, hoʻohana ka mea kākau i nā pihi piha me nā ʻano like ʻole o nā ʻāpana mālama ikehu no ka hoʻoikaika ʻana i kekahi mau huahana uila kalepa, e like me nā pepeiao pepeiao, nā wati akamai, nā pā uila liʻiliʻi, nā mea hoʻonaninani, a me nā kelepona akamai. Ua lawa nā mea ʻelua no ka hoʻohana ʻana i kēlā me kēia lā, hoʻokomo piha i ka hiki ke hoʻohana ʻia o nā huahana uila maʻalahi a hiki ke hoʻohana.

Hoʻopili ke Kiʻi 5 i ka pākaukau i hoʻolālā ʻia i nā pepeiao pepeiao, nā wati akamai, nā pā uila liʻiliʻi, nā mea hoʻonaninani, a me nā smartphones. Hāʻawi ka pākaukau maʻalahi i ka mana no (a) mau pepeiao, (b) wati akamai, a (c) pā uila liʻiliʻi; (d) hāʻawi i ka mana no nā mea hoʻonaninani; (e) ma lalo o nā kūlana deformation like ʻole, hāʻawi ka pākaukau maʻalahi i ka mana no nā kelepona.

Hōʻuluʻulu manaʻo

I ka hōʻuluʻulu ʻana, ua hoʻoikaika ʻia kēia ʻatikala e ke ʻano o nā hui kanaka. Hāʻawi ia i kahi ala hoʻolālā kūʻokoʻa no ka hana ʻana i kahi pākaukau maʻalahi me ka nui o ka ikehu kiʻekiʻe, nā deformability lehulehu, a me ka lōʻihi. Ke hoʻohālikelike ʻia me nā LIB maʻamau, hiki i kēia hoʻolālā hou ke pale maikaʻi i ka hoʻololi ʻana o ka plastic o ka ʻohi metala o kēia manawa. I ka manawa like, hiki i nā ʻili curved i mālama ʻia ma nā ʻaoʻao ʻelua o ka waihona mālama ikehu i hoʻolālā ʻia i loko o kēia pepa hiki ke hoʻomaha maikaʻi i ke koʻikoʻi kūloko o nā mea pili. Eia kekahi, hiki ke hoʻololi i ke ʻano o ka puʻu, nā ʻano wili like ʻole, e hāʻawi ana i ka deformability kūpono i ka pākaukau. Hōʻike ka pākaukau maʻalahi i ka paʻa pōʻai maikaʻi loa a me ka lōʻihi o ka mīkini e hoʻomaikaʻi i ka hoʻolālā novel a loaʻa iā ia nā manaʻo noi nui i nā huahana uila hiki ke maʻalahi a hiki ke hoʻohana.

loulou palapala

ʻO ka hoʻolālā hoʻolālā hoʻoulu ʻia ʻana o ke kanaka no ka puʻupuʻu hiki ke hoʻopaʻa ʻia. (Ka puni ikehu. ʻO Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)