Hong Kong CityU EES: Хүний үе мөчөөс сэдэвлэсэн уян хатан лити-ион батерей

Судалгааны үндэслэл

Электрон бүтээгдэхүүний эрэлт нэмэгдэж байгаа нь сүүлийн жилүүдэд уян хатан, өндөр эрчим хүчний нягтралтай хадгалах төхөөрөмжийг хурдацтай хөгжүүлэхэд түлхэц болсон. Уян хатан лити ион батерей Эрчим хүчний өндөр нягтрал, тогтвортой цахилгаан химийн үзүүлэлттэй (LIBs) нь элэгддэг электрон бүтээгдэхүүний батерейны хамгийн ирээдүйтэй технологи гэж тооцогддог. Нимгэн хальсан электродууд болон полимер дээр суурилсан электродуудыг ашиглах нь LIB-ийн уян хатан чанарыг эрс сайжруулдаг боловч дараахь асуудлууд тулгардаг.

(1) Ихэнх уян хатан батерейнууд нь "сөрөг электрод-салгагч-эерэг электрод"-оор овоолсон байдаг бөгөөд тэдгээрийн хязгаарлагдмал хэв гажилт, олон давхаргат стекүүдийн хоорондох гулсалт нь LIB-ийн ерөнхий гүйцэтгэлийг хязгаарладаг;

(2) Эвхэх, суналт, ороомог, нарийн төвөгтэй хэв гажилт гэх мэт илүү хүнд нөхцөлд энэ нь батерейны гүйцэтгэлийг баталгаажуулж чадахгүй;

(3) Загварын стратегийн нэг хэсэг нь одоогийн металл коллекторын хэв гажилтыг үл тоомсорлодог.

Тиймээс бага зэрэг гулзайлтын өнцөг, олон хэв гажилтын горим, механик бат бөх чанар, эрчим хүчний өндөр нягтрал зэрэгт нэгэн зэрэг хүрэх нь олон бэрхшээлтэй тулгарсаар байна.

Оршил

Саяхан Хонг Конгийн Хотын Их Сургуулийн профессор Чуньи Жи, доктор Куипинг Хан нар Energy Environ сайтад "Хүний хамтарсан онгодоор хийсэн бүтцийн дизайн нь нугалах/эвхэгддэг/сунгадаг/ мушгих батерей: олон хэв гажилтыг бий болгох нь" гэсэн гарчигтай нийтлэл хэвлүүлсэн. Шинжлэх ухаан. Энэхүү бүтээл нь хүний ​​үе мөчний бүтцээс санаа авч, үе мөчний системтэй төстэй уян хатан LIB-ийг зохион бүтээсэн. Энэхүү шинэлэг загвар дээр үндэслэн бэлтгэсэн уян хатан батерей нь эрчим хүчний өндөр нягтралд хүрч, 180 ° -аар нугалж эсвэл бүр нугалж болно. Үүний зэрэгцээ бүтцийн бүтцийг янз бүрийн ороомгийн аргаар өөрчлөх боломжтой бөгөөд ингэснээр уян хатан LIB нь хэв гажилтын баялаг чадвартай, илүү хүнд, нарийн төвөгтэй хэв гажилтанд (ороомог ба мушгиа) хэрэглэж, бүр сунгаж, хэв гажилтын чадвар нь илүү өндөр байдаг. уян хатан LIB-ийн өмнөх тайлангаас хамаагүй илүү. Хязгаарлагдмал элементийн симуляцийн шинжилгээ нь энэхүү баримт бичигт бүтээсэн батерей нь янз бүрийн хатуу, нарийн төвөгтэй хэв гажилтын үед одоогийн металл коллекторын эргэлт буцалтгүй хуванцар деформацид орохгүй гэдгийг баталсан. Үүний зэрэгцээ угсарсан квадрат нэгж батерей нь 371.9 Вт/л эрчим хүчний нягтралд хүрэх боломжтой бөгөөд энэ нь уламжлалт зөөлөн савлагааны батерейны 92.9% юм. Нэмж дурдахад, энэ нь 200,000 гаруй динамик гулзайлтын дараа, 25,000 удаа динамик гажуудалтай байсан ч мөчлөгийн тогтвортой гүйцэтгэлийг хадгалж чадна.

Цаашдын судалгаанаас харахад угсарсан цилиндр нэгжийн эс нь илүү хүнд, нарийн төвөгтэй хэв гажилтыг тэсвэрлэх чадвартай болохыг харуулж байна. 100,000 гаруй динамик суналт, 20,000 мушгиралт, 100,000 гулзайлтын хэв гажилтын дараа энэ нь 88% -иас дээш өндөр хүчин чадалтай хэвээр байх болно. Тиймээс, энэ баримт бичигт санал болгож буй уян хатан LIB нь элэгддэг электроникийн практик хэрэглээнд асар том хэтийн төлөвийг бий болгож байна.

Судалгааны онцлох зүйл

1) Хүний үе мөчөөс сэдэвлэсэн уян хатан LIB нь гулзайлтын, мушгирах, сунах, ороомгийн хэв гажилтын үед тогтвортой мөчлөгийн гүйцэтгэлийг хадгалж чаддаг;

(2) Дөрвөлжин уян зайтай батерей нь 371.9 Вт/л эрчим хүчний нягтралтай байх боломжтой бөгөөд энэ нь уламжлалт зөөлөн багц батерейны 92.9% юм;

(3) Ороомгийн янз бүрийн аргууд нь зайны яндангийн хэлбэрийг өөрчилж, батерейг хангалттай хэв гажилтыг өгдөг.

График гарын авлага

Судалгаанаас харахад өндөр эзэлхүүнтэй эрчим хүчний нягтрал, илүү төвөгтэй хэв гажилтыг хангахаас гадна бүтцийн загвар нь одоогийн коллекторын хуванцар хэв гажилтаас зайлсхийх ёстой. Гүйдлийн коллекторын хуванцар деформаци, эргэлт буцалтгүй эвдрэлээс зайлсхийхийн тулд гулзайлтын явцад гүйдлийн коллектор бага зэрэг гулзайлтын радиустай байхаас сэргийлэх нь гүйдлийн коллекторын хамгийн сайн арга байх ёстойг төгсгөлийн элементийн симуляци харуулж байна.

Зураг 1а-д хүний ​​үений бүтцийг харуулсан бөгөөд илүү том муруй гадаргуугийн загвар нь үеийг жигд эргүүлэхэд тусалдаг. Үүн дээр үндэслэн Зураг 1б-д дөрвөлжин зузаантай стекийн бүтцэд ороож болох ердийн бал чулуун анод/диафрагм/литийн кобальтатын (LCO) анодыг үзүүлэв. Уулзвар дээр энэ нь хоёр зузаан хатуу яндан, уян хатан хэсгээс бүрдэнэ. Илүү чухал зүйл бол зузаан стек нь үе мөчний ясны бүрхэвчтэй тэнцэх муруй гадаргуутай бөгөөд энэ нь буферийн даралтыг бууруулж, уян хатан зайны үндсэн хүчин чадлыг хангадаг. Уян хатан хэсэг нь шөрмөсний үүргийг гүйцэтгэж, зузаан стекийг холбож, уян хатан байдлыг хангадаг (Зураг 1c). Дөрвөлжин овоолго руу ороохоос гадна ороомгийн аргыг өөрчлөх замаар цилиндр эсвэл гурвалжин хэлбэртэй батерейг үйлдвэрлэж болно (Зураг 1d). Дөрвөлжин эрчим хүч хадгалах нэгж бүхий уян хатан LIB-ийн хувьд гулзайлтын процессын явцад хоорондоо холбогдсон сегментүүд нь зузаан стекийн нуман хэлбэртэй гадаргуугийн дагуу эргэлдэж, улмаар уян хатан батерейны эрчим хүчний нягтыг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх болно. Нэмж дурдахад уян полимер бүрээсээр цилиндр нэгж бүхий уян хатан LIB нь сунгах, уян хатан шинж чанарыг олж авах боломжтой (Зураг 1f).

Зураг 1 (a) Уян хатан байдалд хүрэхийн тулд өвөрмөц холбоос ба муруй гадаргуугийн дизайн зайлшгүй шаардлагатай; (б) Зайны уян хатан бүтэц, үйлдвэрлэлийн процессын бүдүүвч диаграмм; (в) яс нь электродын зузаантай, шөрмөс нь өнхрүүлээгүй (D) Цилиндр ба гурвалжин эс бүхий уян хатан батерейны бүтэцтэй; (e) Дөрвөлжин нүднүүдийн овоолсон схемийн диаграмм; (е) Цилиндр эсийн суналтын хэв гажилт.

Механик симуляцийн шинжилгээг цаашид ашиглах нь батерейны уян хатан бүтцийн тогтвортой байдлыг баталгаажуулсан. Зураг 2а нь цилиндрт (180° радиан) нугалахад зэс, хөнгөн цагаан тугалган цаасны стрессийн тархалтыг харуулав. Үр дүнгээс үзэхэд зэс, хөнгөн цагаан тугалган цаасны ачаалал нь уналтын бат бэхээс хамаагүй бага байгаа нь энэхүү хэв гажилт нь хуванцар хэв гажилт үүсгэхгүйг харуулж байна. Одоогийн металл коллектор нь эргэлт буцалтгүй гэмтлээс зайлсхийх боломжтой.

Гулзайлтын зэрэг нэмэгдэх ба зэс тугалган цаас, хөнгөн цагаан тугалган цаасны ачаалал нь тэдгээрийн харгалзах уналтын бат бэхээс бага байх үеийн стрессийн тархалтыг Зураг 2b-д үзүүлэв. Тиймээс бүтэц нь сайн бат бөх чанарыг хадгалахын зэрэгцээ нугалах хэв гажилтыг тэсвэрлэх чадвартай. Гулзайлтын хэв гажилтаас гадна систем нь тодорхой хэмжээний гажуудалд хүрч чаддаг (Зураг 2c).

Цилиндр нэгж бүхий батерейны хувьд тойргийн өвөрмөц шинж чанараас шалтгаалан энэ нь илүү хүнд, нарийн төвөгтэй хэв гажилтанд хүрч чаддаг. Тиймээс зайг 180o хүртэл нугалж (Зураг 2d, e), анхны уртын 140% орчим сунгаж (Зураг 2f), 90o хүртэл мушгихад (Зураг 2g) механик тогтвортой байдлыг хадгалж чадна. Түүнчлэн гулзайлтын + мушгиа, ороомгийн хэв гажилтыг тусад нь хийх үед зохион бүтээсэн LIB-ийн бүтэц нь янз бүрийн хүнд, нарийн төвөгтэй хэв гажилтын үед одоогийн металл коллекторын эргэлт буцалтгүй хуванцар хэв гажилтыг үүсгэхгүй.

Зураг 2 (ac) Гулзайлгах, нугалах, мушгирах үед дөрвөлжин эсийн төгсгөлийн элементийн симуляцийн үр дүн; (di) Цилиндр хэлбэрийн үүрийг гулзайлгах, нугалах, сунах, мушгирах, нугалах + мушгирах, ороох үед төгсгөлтэй элементийн симуляцийн үр дүн.

Зохион бүтээгдсэн уян хатан батерейны цахилгаан химийн гүйцэтгэлийг үнэлэхийн тулд LiCoO2-ийг катодын материал болгон цэнэгийн цэнэг ба эргэлтийн тогтвортой байдлыг шалгах зорилгоор ашигласан. Зураг 3а-д үзүүлснээр дөрвөлжин эсүүдтэй зайны цэнэгийн хүчин чадал нь хавтгайг 1С-ээр томруулж нугалах, цагираглах, нугалах, мушгих зэргээр хэв гажилтын дараа мэдэгдэхүйц буурдаггүй бөгөөд энэ нь механик хэв гажилт нь дизайныг үүсгэхгүй гэсэн үг юм. уян хатан зай цахилгаан химийн хувьд байх Гүйцэтгэлийн бууралт. Динамик гулзайлтын дараа (Зураг 3в, г) болон динамик мушгих (Зураг 3e, f) болон тодорхой тооны мөчлөгийн дараа цэнэглэх, цэнэглэх платформ болон урт мөчлөгийн гүйцэтгэлд мэдэгдэхүйц өөрчлөлт гарахгүй байгаа нь дотоод бүтэц зай нь сайн хамгаалагдсан.

Зураг 3 (a) 1С-ийн дор квадрат нэгжийн зайг цэнэглэх ба цэнэггүй болгох туршилт; (б) Янз бүрийн нөхцөлд цэнэглэх ба цэнэгийн муруй; (в, г) Динамик гулзайлтын үед батерейны мөчлөгийн гүйцэтгэл ба харгалзах цэнэг ба цэнэгийн муруй; (д, е) Динамик мушгих үед батерейны мөчлөгийн гүйцэтгэл ба өөр өөр мөчлөгийн үед харгалзах цэнэг алдалтын муруй.

Симуляцийн шинжилгээний үр дүн нь тойргийн өвөрмөц шинж чанаруудын ачаар цилиндр элемент бүхий уян хатан LIB нь илүү эрс тэс, нарийн төвөгтэй хэв гажилтыг тэсвэрлэх чадвартай болохыг харуулж байна. Тиймээс цилиндр нэгжийн уян хатан LIB-ийн цахилгаан химийн гүйцэтгэлийг харуулахын тулд туршилтыг 1 С-ийн хурдаар хийсэн бөгөөд энэ нь зайг янз бүрийн хэв гажилтанд өртөх үед цахилгаан химийн үзүүлэлт бараг өөрчлөгддөггүй болохыг харуулсан. Деформаци нь хүчдэлийн муруйг өөрчлөхөд хүргэдэггүй (Зураг 4a, b).

Цилиндр батерейны цахилгаан химийн тогтвортой байдал, механик бат бөх чанарыг цаашид үнэлэхийн тулд зайг 1С-ийн хурдаар динамик автомат ачааллын туршилтанд хамруулсан. Судалгаанаас харахад динамик суналтын дараа (Зураг 4в, d), динамик мушгих (Зураг 4e, f) , ба динамик гулзайлтын + мушгиа (Зураг 4g, h), зайны цэнэгийн цэнэгийн мөчлөгийн гүйцэтгэл болон харгалзах хүчдэлийн муруй нь нөлөөлөөгүй. Зураг 4i нь өнгөлөг эрчим хүч хадгалах төхөөрөмжтэй батерейны гүйцэтгэлийг харуулж байна. Цутгах хүчин чадал нь 133.3 мАм g-1-ээс 129.9 мАч г-1 болж буурч, нэг циклийн хүчин чадлын алдагдал ердөө 0.04% байгаа нь хэв гажилт нь түүний мөчлөгийн тогтвортой байдал болон гадагшлуулах хүчин чадалд нөлөөлөхгүй гэдгийг харуулж байна.

Зураг 4 (a) Цилиндр эсийн янз бүрийн тохируулгын 1С-ийн цэнэгийн болон цэнэгийн мөчлөгийн туршилт; (б) Өөр өөр нөхцөлд зайны цэнэг ба цэнэгийн харгалзах муруй; (в, г) Динамик суналтын дор батерейны цэнэгийн мөчлөгийн гүйцэтгэл Цэнэглэх муруй; (д, е) динамик мушгих үед батерейны мөчлөгийн гүйцэтгэл ба өөр өөр мөчлөгийн үед харгалзах цэнэгийн цэнэгийн муруй; (g, h) динамик гулзайлтын + мушгих үед батерейны мөчлөгийн гүйцэтгэл ба өөр өөр мөчлөгийн үед харгалзах цэнэг алдалтын муруй; (I) 1С температурт өөр өөр тохиргоотой призмийн батерейг цэнэглэх ба цэнэггүй болгох туршилт.

Зохиогч бүтээсэн уян батерейг практикт хэрхэн ашиглаж байгааг үнэлэхийн тулд чихэвч, ухаалаг цаг, мини цахилгаан сэнс, гоо сайхны хэрэгсэл, ухаалаг гар утас зэрэг арилжааны электрон бүтээгдэхүүнийг эрчим хүчээр хангахын тулд янз бүрийн төрлийн эрчим хүч хадгалах нэгж бүхий бүрэн батерейг ашигладаг. Эдгээр нь хоёулаа өдөр тутмын хэрэглээнд хангалттай бөгөөд уян хатан, элэгддэг электрон бүтээгдэхүүний хэрэглээний боломжийг бүрэн тусгасан болно.

Зураг 5-д загварчилсан батерейг чихэвч, ухаалаг цаг, мини цахилгаан сэнс, гоо сайхны тоног төхөөрөмж, ухаалаг гар утсанд ашигладаг. Уян хатан зай нь (a) чихэвч, (б) ухаалаг цаг, (в) мини цахилгаан сэнс; (г) гоо сайхны тоног төхөөрөмжийг эрчим хүчээр хангадаг; (e) янз бүрийн хэв гажилтын нөхцөлд уян хатан зай нь ухаалаг гар утсыг эрчим хүчээр хангадаг.

Дүгнэлт ба хэтийн төлөв

Дүгнэж хэлэхэд, энэ нийтлэл нь хүний ​​үе мөчний бүтцээс санаа авсан болно. Энэ нь эрчим хүчний өндөр нягтрал, олон хэв гажилт, бат бөх чанар бүхий уян хатан батерейг үйлдвэрлэх өвөрмөц дизайны аргыг санал болгож байна. Уламжлалт уян хатан LIB-тай харьцуулахад энэхүү шинэ загвар нь одоогийн металл коллекторын хуванцар хэв гажилтаас үр дүнтэй зайлсхийх боломжтой. Үүний зэрэгцээ, энэ баримт бичигт боловсруулсан эрчим хүч хадгалах төхөөрөмжийн хоёр төгсгөлд хадгалагдсан муруй гадаргуу нь хоорондоо холбогдсон бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн орон нутгийн стрессийг үр дүнтэй арилгаж чадна. Үүнээс гадна ороомгийн янз бүрийн аргууд нь стекийн хэлбэрийг өөрчилж, зайг хангалттай хэв гажилтыг өгдөг. Уян хатан батерей нь шинэ загварын ачаар маш сайн мөчлөгийн тогтвортой байдал, механик бат бөх чанарыг харуулдаг бөгөөд янз бүрийн уян хатан, элэгддэг электрон бүтээгдэхүүнүүдэд өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвтэй байдаг.

Уран зохиолын холбоос

Нугардаг/эвхдэг/сунгадаг/ мушгидаг батерейнд зориулсан хүний ​​үе мөчөөс санаа авсан бүтцийн загвар: олон тооны хэв гажилтыг бий болгодог. (Эрчим хүчний орчин. Шинжлэх ухаан., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)