Hong Kong CityU EES: Батареяи чандири литий-ион, ки аз буғумҳои инсон илҳом гирифта шудааст

Заминаҳои таҳқиқот

Талаботи афзоянда ба маҳсулоти электронӣ ба рушди босуръати дастгоҳҳои нигоҳдории чандир ва зичии энергия дар солҳои охир мусоидат кард. Батареяҳои чандири литий-ион (LIBs) бо зичии баланди энергия ва иҷрои устувори электрохимиявӣ технологияи ояндадори батарея барои маҳсулоти электронии фарсуда ба ҳисоб меравад. Гарчанде ки истифодаи электродҳои тунук ва электродҳои полимерӣ чандирии LIB-ро ба таври назаррас беҳтар мекунад, мушкилоти зерин вуҷуд доранд:

(1) Аксари батареяҳои чандир бо "электроди манфӣ-сепаратор-электроди мусбӣ" ҷамъ карда мешаванд ва деформатсияи маҳдуди онҳо ва лағжиши онҳо дар байни стекҳои бисёрқабата кори умумии LIB-ро маҳдуд мекунад;

(2) Дар баъзе шароитҳои вазнинтар, ба монанди қат кардан, дароз кардан, печидан ва деформатсияи мураккаб, он кори батареяро кафолат дода наметавонад;

(3) Қисми стратегияи тарроҳӣ деформатсияи коллектори ҳозираи металлиро сарфи назар мекунад.

Аз ин рӯ, ҳамзамон ноил шудан ба кунҷи ночизи он, режимҳои деформатсияи сершумор, устувории олии механикӣ ва зичии баланди энергия ҳоло ҳам бо мушкилоти зиёд рӯ ба рӯ мешаванд.

Муқаддима

Ба наздикӣ, профессор Чуни Чжи ва доктор Куипинг Ҳан аз Донишгоҳи шаҳри Ҳонконг мақолаеро таҳти унвони "Тарҳрезии сохтории муштараки инсонӣ барои батареяи хамшаванда/қатшаванда/дазоншаванда/каҷшаванда: ноил шудан ба деформатсияи сершумор" дар Energy Environ нашр карданд. Илм. Ин кор аз сохтори буғумҳои инсон илҳом гирифта, як навъ LIB-ҳои фасеҳи шабеҳи системаи муштаракро тарҳрезӣ кардааст. Бар асоси ин тарҳи нав, батареяи тайёр ва чандир метавонад зичии баланди энергияро ба даст орад ва дар 180 ° хам карда шавад ё ҳатто печонида шавад. Дар айни замон, сохтори сохториро тавассути усулҳои гуногуни печонидани онҳо тағир додан мумкин аст, то LIB-ҳои чандир дорои қобилиятҳои ғании деформатсия бошанд, метавонанд ба деформатсияҳои шадидтар ва мураккабтар истифода шаванд (печ ва гардиш) ва ҳатто дароз карда шаванд ва қобилияти деформатсияи онҳо дуртар аз гузоришҳои қаблӣ дар бораи LIB-ҳои тағйирпазир. Таҳлили симулятсияи элементҳои ниҳоӣ тасдиқ кард, ки батареяе, ки дар ин мақола тарҳрезӣ шудааст, дар зери деформатсияҳои гуногуни сахт ва мураккаб деформатсияи пластикии бебозгашти коллектори металлии ҳозираро намебинад. Дар айни замон, батареяи воҳиди мураббаъ ҷамъшуда метавонад зичии энергияро то 371.9 Вт/л расонад, ки ин 92.9% батареяи бастаи анъанавии нармро ташкил медиҳад. Илова бар ин, он метавонад ҳатто пас аз зиёда аз 200,000 борпечи динамикӣ ва 25,000 маротиба таҳрифи динамикӣ иҷрои мӯътадили давраро нигоҳ дорад.

Тадқиқоти минбаъда нишон медиҳад, ки ҳуҷайраи воҳиди силиндрии ҷамъшуда метавонад ба деформатсияҳои шадидтар ва мураккаб тоб оварад. Пас аз зиёда аз 100,000 дарозии динамикӣ, 20,000 гардиш ва 100,000 деформатсияи хам, он то ҳол метавонад ба иқтидори баланди беш аз 88% - сатҳи нигоҳдорӣ ноил шавад. Аз ин рӯ, LIB-ҳои фасеҳи дар ин мақола пешниҳодшуда дурнамои васеъро барои татбиқи амалӣ дар электроникаи фарсуда таъмин мекунанд.

Самтҳои асосии таҳқиқот

1) LIB-ҳои чандир, ки аз буғумҳои инсон илҳом гирифта шудаанд, метавонанд кори мӯътадили сиклиро ҳангоми деформатсияҳои печидан, печидан, дароз кардан ва печондан нигоҳ доранд;

(2) Бо батареяи фасеҳи мураббаъ, он метавонад ба зичии энергия то 371.9 Вт/л, ки 92.9% батареяи анъанавии нармро ташкил медиҳад, ба даст орад;

(3) Усулҳои печонидани гуногун метавонанд шакли стеки батареяро тағир дода, ба батарея деформатсияи кофӣ диҳанд.

Дастури графикӣ

Таҳқиқот нишон дод, ки ба ғайр аз таъмини зичии баланди энергия ва деформатсияи мураккабтар, тарҳи сохторӣ инчунин бояд аз деформатсияи пластикии коллектори ҷорӣ пешгирӣ кунад. Моделсозии унсурҳои ниҳоӣ нишон медиҳад, ки беҳтарин усули коллектори ҷараён бояд пешгирӣ аз доштани радиуси хурди каҷшавандаи коллектори ҷорӣ дар ҷараёни хамшавӣ бошад, то аз деформатсияи пластикӣ ва осеби бебозгашти коллектори ҷорӣ пешгирӣ карда шавад.

Дар расми 1а сохтори буғумҳои инсонӣ нишон дода шудааст, ки дар он тарҳи сатҳи каҷшудаи оқилонатар барои гардиши ҳамвор ба буғумҳо кӯмак мекунад. Бар асоси ин, дар расми 1б аноди маъмулии графитӣ/диафрагма/кобальтати литий (LCO) нишон дода шудааст, ки онро метавон ба сохтори стекти ғафси мураббаъ печондан мумкин аст. Дар васлшавӣ он аз ду стеллажи ғафси сахт ва як қисми чандир иборат аст. Муҳимтар аз ҳама, қабати ғафс дорои сатҳи каҷест, ки ба сарпӯши устухони муштарак баробар аст, ки ба фишори буферӣ кӯмак мекунад ва иқтидори ибтидоии батареяи чандирро таъмин мекунад. Қисми эластикӣ ҳамчун пайванд амал карда, стекҳои ғафсро мепайвандад ва чандириро таъмин мекунад (расми 1в). Ба гайр аз печондан ба сутуни мураббаъ, аккумуляторхои дорои ҳуҷайраҳои силиндрӣ ё секунҷаро низ бо роҳи тағир додани усули печонидани печондан истеҳсол кардан мумкин аст (расми 1г). Барои LIB-ҳои чандир бо воҳидҳои нигаҳдории энергияи мураббаъ, сегментҳои ба ҳам пайвастшуда дар сатҳи камоншакли стеки ғафс ҳангоми печидан (расми 1e) гардиш мекунанд ва ба ин васила зичии энергияи батареяи чандирро ба таври назаррас афзоиш медиҳанд. Илова бар ин, тавассути инкапсуляцияи полимерии эластикӣ, LIB-ҳои чандир бо воҳидҳои силиндрӣ метавонанд хосиятҳои дарозшаванда ва чандирро ба даст оранд (Расми 1f).

Расми 1 (а) Тарҳрезии пайвасти ягонаи пайвандак ва сатҳи каҷ барои ба даст овардани чандир муҳим аст; (б) Диаграммаи схематикии сохтори чандири батарея ва раванди истеҳсолӣ; $C) устухон ба қабати ғафси электродҳо ва пайванд ба ғафсшуда мувофиқат мекунад (D) Сохтори батареяи чандир бо ҳуҷайраҳои силиндрӣ ва секунҷа; $E) Схемаи схематикии ҳуҷайраҳои мураббаъ; $Е) Деформатсияи дарози ҳуҷайраҳои силиндрӣ.

Истифодаи минбаъдаи таҳлили моделиронии механикӣ устувории сохтори чандири батареяро тасдиқ кард. Дар расми 2а тақсимоти фишори фолгаи мис ва алюминий ҳангоми ба силиндр хамшуда (радиан 180°) нишон дода шудааст. Натиљањо нишон медињанд, ки фишори фолгаи мис ва алюминий нисбат ба ќувваи њосилнокии онњо хеле пасттар аст, ки ин деформатсия боиси деформатсияи пластикї намегардад. Коллектори ҳозираи металлӣ метавонад аз зарари бебозгашт канорагирӣ кунад.

Тасвири 2б тақсимоти фишорро ҳангоми боз ҳам баланд шудани дараҷаи хамшавӣ нишон медиҳад ва фишори фолгаи мис ва фолгаи алюминий низ аз қувваи ҳосили мувофиқи онҳо камтар аст. Аз ин рӯ, сохтор метавонад ба деформатсияи қатшаванда тоб оварда, устувории хубро нигоҳ дорад. Ба гайр аз деформатсияи хамида, система метавонад ба дарачаи муайяни тахрифот ноил шавад (расми 2в).

Барои батареяҳои дорои агрегатҳои силиндрӣ, аз сабаби хусусиятҳои хоси доира, он метавонад деформатсияи шадидтар ва мураккабро ба даст орад. Аз ин рӯ, вақте ки батарея то 180o печонида мешавад (расми 2г, д), тақрибан ба 140% дарозии аслӣ дароз карда мешавад (расми 2f) ва то 90o печонида мешавад (расми 2г), он метавонад устувории механикиро нигоҳ дорад. Илова бар ин, вақте ки мепечонад + печутоби ва деформатсияи печонидашуда алоҳида татбиқ карда мешавад, сохтори тарҳрезишудаи LIBs боиси деформатсияи пластикии бебозгашти коллектори металлии ҷорӣ дар зери деформатсияҳои гуногуни сахт ва мураккаб мегардад.

Расми 2 (ac) Натоиҷи симулятсияи унсурҳои ниҳоии ячейкаи мураббаъ ҳангоми хам кардан, печидан ва печидан; (di) Натоиҷи симулятсияи унсурҳои ниҳоии ҳуҷайраи силиндрӣ дар зери хам кардан, печидан, дароз кардан, печидан, печидан + печидан ва печидан.

Барои арзёбии кори электрохимиявии батареяи чандири тарҳрезишуда, LiCoO2 ҳамчун маводи катодӣ барои санҷиши қобилияти разряд ва устувории давра истифода шуд. Тавре ки дар расми 3а нишон дода шудааст, иқтидори разряди батареяи дорои ҳуҷайраҳои мураббаъ пас аз деформатсияи ҳавопаймо барои хам кардан, ҳалқа кардан, кат кардан ва каҷ кардан дар дараҷаи 1С кам намешавад, яъне деформатсияи механикӣ боиси тарҳрезии батарея нахоҳад шуд. батареяи фасењ ба electrochemically бошад Иҷрои қатраҳои. Ҳатто пас аз хамкунии динамикӣ (расми 3в, г) ва чархиши динамикӣ (расми 3е, f) ва пас аз як миқдори муайяни давраҳо, платформаи барқгиранда ва разряд ва иҷрои давраи тӯлонӣ тағироти намоён надоранд, яъне сохтори дохилии батарея хуб муҳофизат карда шудааст.

Расми 3 (а) Санҷиши пур кардан ва холӣ кардани батареяи воҳиди квадратӣ дар зери 1С; $B) хати каљии заряд ва разряд дар шароитњои гуногун; (в, г) Дар зери хамкунии динамикӣ, иҷрои сикли батарея ва хатти мувофиқи барқ ​​ва холӣ; (д, е) Дар ҳолати гардиши динамикӣ, иҷрои сикли батарея ва хатти мувофиқи барқ-разряд дар давраҳои гуногун.

Натиҷаҳои таҳлили моделиронӣ нишон медиҳанд, ки ба шарофати хусусиятҳои хоси доира, LIB-ҳои чандир бо унсурҳои силиндрӣ метавонанд ба деформатсияҳои шадидтар ва мураккаб тоб оваранд. Аз ин ру, барои нишон додани кори электрохимиявии ЛИБ-хои чандири агрегати силиндрй озмоиш бо суръати 1С гузаронида шуд, ки ин нишон дод, ки хангоми ба деформацияхои гуногун дучор шудани аккумулятор дар кори электрохимиявй кариб ягон тагйирот ба амал намеояд. Деформатсия боиси тагйир ёфтани хатти шиддат намегардад (расми 4а, б).

Барои баҳодиҳии минбаъдаи устувории электрохимиявӣ ва устувории механикии батареяи силиндрӣ, он батареяро бо суръати 1 С озмоиши автоматии динамикӣ гузаронд. Тадқиқотҳо нишон медиҳанд, ки пас аз дароз кардани динамикӣ (расми 4в, г), гардиши динамикӣ (расми 4е, f) , ва каҷшавии динамикӣ + чархиш (Расми 4g, h), иҷрои сикли пуркунии батарея ва хати разряди мувофиқ таъсир намерасонад. Тасвири 4i кори батареяро бо воҳиди нигоҳдории энергияи рангоранг нишон медиҳад. Иқтидори разряд аз 133.3 mAm g-1 то 129.9 mAh g-1 коҳиш меёбад ва талафоти иқтидор дар як давра ҳамагӣ 0.04% -ро ташкил медиҳад, ки деформатсия ба устувории давра ва қобилияти разряди он таъсир намерасонад.

Расми 4 (а) Санҷиши сикли заряд ва разряди конфигуратсияҳои гуногуни ҳуҷайраҳои силиндрӣ дар ҳарорати 1С; (б) Хатҳои мувофиқи заряд ва разряди батарея дар шароитҳои гуногун; (в, г) Иҷрои давра ва барқи батарея дар зери шиддати динамикӣ хатти разряд; (д, е) кори сиклии батарея дар зери гардиши динамикї ва каљи мувофиќи заряд-разряд дар даврањои гуногун; (г, з) кори сикли батарея дар зери хамшавии динамикӣ + гардиш ва хатти мувофиқи барқ-разряд дар давраҳои гуногун; (I) Санҷиши пур кардан ва холӣ кардани батареяҳои агрегатҳои призматикии конфигуратсияҳои гуногун дар ҳарорати 1С.

Барои арзёбии татбиқи батареяи тағйирпазири таҳияшуда дар амал, муаллиф батареяҳои пурраро бо навъҳои гуногуни воҳидҳои нигоҳдории энергия истифода мебарад, то баъзе маҳсулоти электронии тиҷоратӣ, аз қабили гӯшмонакҳо, соатҳои интеллектуалӣ, вентиляторҳои хурди барқӣ, асбобҳои косметикӣ ва телефонҳои смартфонро таъмин кунад. Ҳарду барои истифодаи ҳамарӯза кифоя буда, иқтидори татбиқи маҳсулоти гуногуни электронии чандир ва фарсудашавандаро пурра таҷассум мекунанд.

Дар расми 5 батареяи тарҳрезишуда ба гӯшмонакҳо, соатҳои интеллектуалӣ, мухлисони хурди барқӣ, таҷҳизоти косметикӣ ва смартфонҳо истифода мешавад. Батареяи чандир қувваи барқро барои (а) гӯшмонакҳо, (б) соатҳои смарт ва (в) мухлисони хурди барқӣ таъмин мекунад; $D) барои таҷҳизоти косметикӣ қувваи барқ ​​медиҳад; (д) дар шароити гуногуни деформатсия, батареяи чандир барои смартфонҳо қувваи барқ ​​​​медиҳад.

Хулоса ва дурнамо

Хулоса, ин мақола аз сохтори буғумҳои инсон илҳом гирифта шудааст. Он як усули беназири тарроҳиро барои истеҳсоли батареяи чандир бо зичии баланди энергия, деформатсияи сершумор ва устуворӣ пешниҳод мекунад. Дар муқоиса бо LIB-ҳои анъанавии чандир, ин тарҳи нав метавонад аз деформатсияи пластикии коллектори ҳозираи металлӣ ба таври муассир пешгирӣ кунад. Ҳамзамон, сатҳҳои каҷе, ки дар ҳарду канори воҳиди нигоҳдории энергия ҳифз шудаанд, ки дар ин мақола тарҳрезӣ шудаанд, метавонанд фишори маҳаллии ҷузъҳои ба ҳам алоқамандро самаранок рафъ кунанд. Илова бар ин, усулҳои печонидани гуногун метавонанд шакли стекро тағир дода, ба батарея деформатсияи кофӣ диҳанд. Батареяи чандир ба шарофати тарроҳии нав устувории аълои давра ва устувории механикиро нишон медиҳад ва дар маҳсулоти гуногуни электронии чандир ва фарсуда дурнамои васеъ дорад.

Пайванди адабиёт

Тарҳи сохтории аз ҷониби муштараки инсон илҳомёфта барои батареяи хамшаванда/қатшаванда/дазоншаванда/каҷшаванда: ноил шудан ба деформатсияи сершумор. (Муҳити энергетикӣ. Илм., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)