Hong Kong CityU EES: Batterie lithium-ion mora azo avy amin'ny tonon'olombelona

Fikarohana momba ny fikarohana

Ny fitomboan'ny fangatahana vokatra elektronika dia nampiroborobo ny fivoarana haingana ireo fitaovana fitehirizana mora azo sy avo lenta tato anatin'ny taona vitsivitsy. Batterie lithium ion mora azo (LIBs) miaraka amin'ny hakitroky ny angovo avo sy ny fahombiazan'ny electrochemical marin-toerana dia heverina ho teknolojia bateria mampanantena indrindra ho an'ny vokatra elektronika azo ampiasaina. Na dia manatsara ny fahaizan'ny LIB aza ny fampiasana electrodes film manify sy electrodes mifototra amin'ny polymer, dia misy ireto olana manaraka ireto:

(1) Ny ankamaroan'ny batteries mora levona dia atambatra amin'ny "électrode négatif-separator-positive", ary ny fahapotehan'izy ireo voafetra sy ny slidage eo anelanelan'ny stacks multilayer dia mametra ny fahombiazan'ny LIB;

(2) Ao anatin'ny toe-javatra henjana kokoa, toy ny miforitra, mihinjitra, mihodinkodina ary mikorontana sarotra, dia tsy afaka miantoka ny fahombiazan'ny bateria;

(3) Ny ampahany amin'ny paikady famolavolana dia tsy miraharaha ny fiovan'ny mpanangona metaly ankehitriny.

Noho izany, miaraka amin'ny fanatontosana ny zorony miondrika kely, ny maodely deformation marobe, ny faharetan'ny mekanika ambony, ary ny hakitroky ny angovo avo dia mbola miatrika fanamby maro.

Fampidirana

Vao haingana, ny Profesora Chunyi Zhi sy ny Dr. Cuiping Han ao amin'ny Oniversiten'ny Tanànan'i Hong Kong dia namoaka taratasy mitondra ny lohateny hoe "Famolavolana ara-drafitra aingam-panahy iraisan'ny olombelona ho an'ny bateria azo zakaina / azo aforitra / azo esorina / mihodinkodina: mahatratra ny fahapotehana marobe" ao amin'ny Energy Environ. Sci. Ity asa ity dia aingam-panahy avy amin'ny firafitry ny tonon-taolana ary namolavola karazana LIB mora azo mitovy amin'ny rafitra iraisana. Mifototra amin'ity famolavolana vaovao ity, ny bateria voaomana sy malefaka dia afaka mahatratra haavo angovo avo lenta ary miondrika na miforitra amin'ny 180 °. Amin'izany fotoana izany, ny rafitra ara-drafitra dia azo ovaina amin'ny alàlan'ny fomba fihodinkodinana samihafa mba hahafahan'ny LIB mora vidy manana fahaiza-manaon'ny deformation manankarena, azo ampiharina amin'ny deformation henjana sy sarotra kokoa (mihodinkodina sy mihodinkodina), ary mety hihenjana mihitsy aza, ary ny fahaizan'izy ireo deformation dia. mihoatra lavitra noho ny tatitra teo aloha momba ny LIB miovaova. Ny famakafakana simulation singa voafetra dia nanamafy fa ny bateria natao ato amin'ity taratasy ity dia tsy hiharan'ny fiovaovan'ny plastika tsy azo ivalozana amin'ny mpanangona metaly amin'izao fotoana izao amin'ny alàlan'ny fiovaovan'ny henjana sy sarotra isan-karazany. Amin'izany fotoana izany, ny bateria efamira mitambatra dia afaka mahatratra ny hakitroky ny angovo hatramin'ny 371.9 Wh / L, izay 92.9% amin'ny bateria fonosana malefaka mahazatra. Ho fanampin'izay, afaka mitazona ny fahombiazan'ny tsingerina maharitra izy na dia aorian'ny 200,000 mahery amin'ny fiondrika mavitrika ary in-25,000 amin'ny fanodikodinana mavitrika.

Ny fikarohana fanampiny dia mampiseho fa ny selan'ny vondrona cylindrical tafangona dia mahatohitra ny fiovaovana mahery vaika sy sarotra kokoa. Aorian'ny fihenjanana mahery vaika 100,000 mahery, fihodinana 20,000, ary fikorontanana miondrika 100,000, dia mbola afaka mahatratra 88% mahery ny tahan'ny fihazonana. Noho izany, ny LIB mora azo atolotra ato amin'ity taratasy ity dia manome fanantenana lehibe ho an'ny fampiharana azo ampiharina amin'ny fitaovana elektronika azo ampiasaina.

Fihetseham-pikarohana

1) Flexible LIBs, aingam-panahy avy amin'ny olombelona tonon-taolana, dia afaka mihazona mafy tsingerina fampisehoana eo ambany miondrika, manodina, mihinjitra, ary miolakolaka deformations;

(2) Miaraka amin'ny batterie flexible square, dia afaka mahatratra ny hakitroky ny angovo hatramin'ny 371.9 Wh/L, izany hoe 92.9% amin'ny batterie nentim-paharazana malefaka;

(3) Ny fomba fanodinkodinana samihafa dia afaka manova ny endrik'ilay batterie stack ary manome ny bateria ampy ny deformability.

Torolàlana momba ny sary

Ny fikarohana dia naneho fa, ho fanampin'ny fiantohana ny hakitroky ny angovo avo lenta sy ny deformation sarotra kokoa, ny famolavolana rafitra dia tsy maintsy misoroka ny fanimbana plastika amin'ny mpanangona ankehitriny. Ny simulation singa voafetra dia mampiseho fa ny fomba tsara indrindra amin'ny mpanangom-bokatra amin'izao fotoana izao dia ny fisorohana ny mpanangom-bokatra amin'izao fotoana izao mba tsy hanana radius miondrika kely mandritra ny fizotry ny fikolokoloana mba hisorohana ny fikorontanan'ny plastika sy ny fahasimbana tsy azo ovaina amin'ny mpanangona ankehitriny.

Ny sary 1a dia mampiseho ny firafitry ny tonon-taolana, izay manampy ireo tonon-taolana mihodinkodina tsara amin'ny endrika boribory lehibe kokoa. Miorina amin'izany, ny sary 1b dia mampiseho anode graphite / diaphragm / lithium cobaltate (LCO) mahazatra, izay mety ho ratra amin'ny rafitra stack matevina efamira. Eo amin'ny fihaonan-dalana dia misy stacks roa matevina ary ampahany azo esorina. Ny zava-dehibe kokoa, ny antontam-bato matevina dia manana endrika miolikolika mitovy amin'ny fonon'ny taolam-paty, izay manampy amin'ny fanerena ary manome ny fahaiza-manao voalohany amin'ny bateria mora azo. Ny ampahany elastika dia miasa toy ny ligamenta, mampifandray ireo stacks matevina ary manome flexibility (sary 1c). Ho fanampin'ny fihodinkodinana ho antontam-bato, dia azo amboarina koa ny bateria misy sela cylindrical na telozoro amin'ny alàlan'ny fanovana ny fomba fanodinana (sary 1d). Ho an'ny LIB mora miolikolika miaraka amin'ny singa fitahirizana angovo efamira, ny fizarana mifamatotra dia hihodinkodina amin'ny endriky ny arc amin'ny stack matevina mandritra ny dingan'ny fiondrehana (sary 1e), ka hampitombo be ny hakitroky ny angovo amin'ny bateria azo esorina. Ho fanampin'izany, amin'ny alàlan'ny encapsulation polymère elastika, ny LIB azo esorina miaraka amin'ny singa cylindrical dia afaka mahazo fananana azo esorina sy malefaka (sary 1f).

Figure 1 (a) Ny famolavolana ny fifandraisana ligamenta tokana sy ny velarana miolakolaka dia tena ilaina mba hahazoana flexibility; b) Diagram schematic momba ny firafitry ny batterie mora vidy sy ny fizotran'ny famokarana; (c) ny taolana dia mifanandrify amin'ny stack electrode matevina kokoa, ary ny ligamenta dia mifanitsy amin'ny tsy voahidy (D) Firafitry ny bateria flexible misy sela cylindrical sy triangular; (e) Diagrama skematika manangom-bary amin'ny sela efamira; (f) Manenjana deformation ny sela cylindrical.

Ny fampiasana bebe kokoa ny famakafakana simulation mekanika dia nanamafy ny fahamarinan'ny firafitry ny bateria azo esorina. Ny sary 2a dia mampiseho ny fitsinjarana ny adin-tsaina amin'ny varahina sy aluminium foil rehefa miforitra ao anaty cylinder (180° radian). Ny vokatra dia mampiseho fa ny adin'ny varahina sy alimo foil dia ambany lavitra noho ny tanjaky ny vokatra, izay manondro fa io deformation io dia tsy hiteraka plastika deformation. Ny mpanangona metaly amin'izao fotoana izao dia afaka misoroka ny fahasimbana tsy azo ovaina.

Ny sary 2b dia mampiseho ny fitsinjarana ny adin-tsaina rehefa mihamitombo ny haavon'ny fiondrika, ary ny adin'ny foil varahina sy ny foil aluminium dia kely noho ny tanjaky ny vokatra mifanaraka amin'izany. Noho izany, ny rafitra dia afaka mahatohitra ny miforitra deformation raha mihazona tsara mateza. Ho fanampin'ny fikorontanana miondrika, ny rafitra dia afaka manatratra ny haavon'ny fanodinkodinana (sary 2c).

Ho an'ny bateria misy vondrona cylindrical, noho ny toetra mampiavaka ny faribolana, dia mety hahatratra ny deformation mahery vaika sy sarotra kokoa. Noho izany, rehefa miforitra amin'ny 180o ny bateria (sary 2d, e), mivelatra eo amin'ny 140% amin'ny halavan'ny tany am-boalohany (sary 2f), ary mihodinkodina amin'ny 90o (sary 2g), dia afaka mitazona ny fahamarinan-toerana ara-mekanika. Ankoatra izany, rehefa miondrika + miolikolika sy miolikolika deformation dia ampiharina misaraka, ny rafitra LIBs natao dia tsy hiteraka tsy azo ivalozany plastika deformation ny mpanangona vy amin'izao fotoana izao eo ambanin'ny isan-karazany henjana sy sarotra deformations.

Sary 2 (ac) Vokatry ny simulation singa voafetra amin'ny sela efamira eo ambanin'ny fiforitra, aforitra ary mihodinkodina; (d) Vokatry ny simulation singa voafetra amin'ny sela cylindrical eo ambanin'ny fiforetana, aforitra, fihenjanana, fihodinkodinana, fihodidinana + fihodinkodinana ary fihodinkodinana.

Mba hanombanana ny fahombiazan'ny elektrôkimika an'ny bateria azo esorina, LiCoO2 dia nampiasaina ho fitaovana cathode mba hitsapana ny fahafahan'ny famoahana sy ny fahamarinan'ny fihodinana. Araka ny asehon'ny sary 3a, ny fahafahan'ny batterie misy sela efamira dia tsy mihena be aorian'ny fikorontanan'ny fiaramanidina mba hiondrika, peratra, aforitra ary mihodinkodina amin'ny 1 C magnification, izay midika fa ny fiovan'ny mekanika dia tsy hahatonga ny famolavolana ny ny bateria malefaka ho electrochemically Nihena Performance. Na dia aorian'ny fiondrika mavitrika (sary 3c, d) sy torsion mavitrika (sary 3e, f), ary aorian'ny tsingerina maromaro, ny sehatra fiampangana sy famotsorana ary ny fampisehoana maharitra dia tsy misy fiovana miharihary, izay midika fa ny rafitra anatiny voaaro tsara ny batterie.

Sary 3 (a) Fitsapana fiampangana sy famotsorana ny bateria vondrona efamira eo ambanin'ny 1C; b) Ny fikorianan'ny fiampangana sy ny fivoahana amin'ny fepetra samihafa; (c, d) Eo ambanin'ny fiondrika mavitrika, ny fampandehanana ny tsingerin'ny bateria ary ny fihodinan'ny fiampangana sy ny fivoahana mifanaraka amin'izany; (e, f) Eo ambanin'ny torsion mavitrika, ny fahombiazan'ny tsingerin'ny batterie ary ny curve-discharge mifanaraka amin'izany amin'ny tsingerina samihafa.

Ny valin'ny famakafakana simulation dia mampiseho fa noho ny toetran'ny faribolana, ny LIBs mora vidy miaraka amin'ny singa cylindrical dia afaka mahatohitra ny deformation mahery vaika sy sarotra kokoa. Noho izany, mba hampisehoana ny fahombiazan'ny electrochemical LIBs ny cylindrical vondrona, ny fitsapana dia natao tamin'ny tahan'ny 1 C, izay mampiseho fa rehefa ny bateria mandalo deformations isan-karazany, dia saika tsy misy fiovana eo amin'ny fampisehoana electrochemical. Ny deformation dia tsy hampiova ny curve voltora (sary 4a, b).

Mba hanombanana bebe kokoa ny fahamarinan'ny electrochemical sy ny faharetan'ny mekanika cylindrical batterie, dia nametraka ny batterie tamin'ny fitsapana entana mandeha ho azy mavitrika amin'ny tahan'ny 1 C. Ny fikarohana dia mampiseho fa aorian'ny fihenjanana mavitrika (sary 4c, d), torsion mavitrika (sary 4e, f) , ary ny fiondrehan'ny dynamique + torsion (sary 4g, h), tsy misy fiantraikany amin'ny fampandehanana tsingerin'ny fiampangana ny bateria sy ny curve malefaka mifanaraka amin'izany. Ny sary 4i dia mampiseho ny fahombiazan'ny bateria iray misy fitaovana fitahirizana angovo miloko. Mihena ny fahafahan'ny fivoahana avy amin'ny 133.3 mAm g-1 ka hatramin'ny 129.9 mAh g-1, ary 0.04% ihany ny fatiantoka isaky ny tsingerina, izay manondro fa tsy hisy fiantraikany amin'ny fahamarinan'ny tsingerina sy ny fahafaha-manavotra ny deformation.

Figure 4 (a) Fitsapana tsingerin'ny fiampangana sy famotsorana amin'ny fanamafisana samihafa amin'ny sela cylindrical amin'ny 1 C; b) Mifanitsy amin'ny fiampangana sy fivoahana ny bateria amin'ny fepetra samihafa; (c, d) Fahombiazan'ny tsingerina sy ny fiampangan'ny bateria eo ambanin'ny fihenjanana mahery vaika; (e, f) ny fampandehanan'ny tsingerin'ny bateria eo ambanin'ny torsion mavitrika sy ny fiolahana fiampangana-famoahana mifanaraka amin'izany amin'ny tsingerina samihafa; (g, h) ny fampandehanana tsingerin'ny batterie eo ambanin'ny fihodinana mavitrika + torsion ary ny fiolahana mifandraika amin'izany amin'ny fihodinana samihafa; (I) Fitsapana fiampangana sy famoahana ny bateria prismatic unit miaraka amin'ny fanamafisana samihafa amin'ny 1 C.

Mba hanombanana ny fampiharana ny batterie flexible novolavolaina amin'ny fampiharana, ny mpanoratra dia mampiasa bateria feno miaraka amin'ny karazana fitehirizana angovo isan-karazany mba hanamafisana ny vokatra elektronika ara-barotra sasany, toy ny earphone, smartwatches, mpankafy elektrika mini, fitaovana kosmetika, ary finday maranitra. Samy ampy ho an'ny fampiasana isan'andro izy ireo, mampiditra tanteraka ny mety ho fampiharana ireo vokatra elektronika mora azo sy mora ampiasaina.

Ny sary 5 dia mampihatra ny batterie natao ho an'ny sofina, famantaranandro maranitra, mpankafy herinaratra kely, fitaovana kosmetika ary finday avo lenta. Ny batterie flexible dia mamatsy hery ho an'ny (a) écouteur, (b) smartwatches, ary (c) mpankafy elektrika kely; d) manome hery ho an'ny fitaovana kosmetika; (e) ao anatin'ny toe-javatra deformation samy hafa, ny bateria malefaka dia manome hery ho an'ny finday avo lenta.

Famintinana sy fijery

Raha fintinina, ity lahatsoratra ity dia avy amin'ny firafitry ny tonon'olombelona. Izy io dia manolotra fomba famolavolana tsy manam-paharoa amin'ny famokarana batterie mora vidy miaraka amin'ny hakitroky ny angovo avo lenta, ny fahapotehana marobe ary ny faharetana. Raha ampitahaina amin'ny LIB mahazatra mahazatra, ity endrika vaovao ity dia afaka misoroka tsara ny fiovaovan'ny plastika amin'ny mpanangona metaly ankehitriny. Amin'izay fotoana izay ihany koa dia afaka manamaivana tsara ny adin-tsaina eo an-toerana amin'ireo singa mifamatotra ireo velarana miolikolika natokana amin'ny sisiny roa amin'ny fitaovana fitahirizana angovo natao ato amin'ity taratasy ity. Ankoatr'izay, ny fomba fanodinkodinana samihafa dia afaka manova ny endriky ny stack, manome ny bateria ampy ny deformability. Ny batterie flexible dia mampiseho ny fahamarinan'ny tsingerina tsara sy ny faharetan'ny mekanika noho ny endrika novolavolaina ary manana fanantenana fampiharana be dia be amin'ny vokatra elektronika mora azo sy mora ampiasaina.

Rohy literatiora

Famolavolana ara-drafitra notarihin'ny olombelona ho an'ny bateria azo alevina / azo apetaka / mihodinkodina / mihodinkodina: mahatratra ny fahapotehana marobe. (Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)