हाँगकाँग सिटीयू ईईएस: मानवी सांध्याद्वारे प्रेरित लवचिक लिथियम-आयन बॅटरी

संशोधन पार्श्वभूमी

इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांच्या वाढत्या मागणीने अलिकडच्या वर्षांत लवचिक आणि उच्च-ऊर्जा-घनता साठवण उपकरणांच्या जलद विकासाला चालना दिली आहे. लवचिक लिथियम आयन बॅटरी (LIBs) उच्च ऊर्जा घनता आणि स्थिर इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेसह, घालण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांसाठी सर्वात आशादायक बॅटरी तंत्रज्ञान मानले जाते. जरी पातळ-फिल्म इलेक्ट्रोड आणि पॉलिमर-आधारित इलेक्ट्रोड्सचा वापर LIB ची लवचिकता नाटकीयरित्या सुधारतो, तरीही खालील समस्या आहेत:

(1) बहुतेक लवचिक बॅटरी "नकारात्मक इलेक्ट्रोड-सेपरेटर-पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड" द्वारे स्टॅक केलेल्या असतात आणि त्यांची मर्यादित विकृती आणि मल्टीलेयर स्टॅकमधील घसरणे LIBs च्या एकूण कार्यक्षमतेस प्रतिबंधित करते;

(2) आणखी काही गंभीर परिस्थितींमध्ये, जसे की फोल्डिंग, स्ट्रेचिंग, वळण आणि जटिल विकृती, ते बॅटरी कार्यक्षमतेची हमी देऊ शकत नाही;

(3) डिझाइन धोरणाचा भाग सध्याच्या मेटल कलेक्टरच्या विकृतीकडे दुर्लक्ष करतो.

त्यामुळे, एकाच वेळी त्याचा किंचित झुकणारा कोन, एकाधिक विकृती मोड, उत्कृष्ट यांत्रिक टिकाऊपणा आणि उच्च उर्जेची घनता साध्य करण्यासाठी अजूनही अनेक आव्हाने आहेत.

परिचय

अलीकडे, हाँगकाँगच्या सिटी युनिव्हर्सिटीचे प्रोफेसर चुनी झी आणि डॉ. क्युपिंग हान यांनी एनर्जी एन्व्हायर्नवर "वाकता येण्याजोग्या/फोल्डेबल/स्ट्रेचेबल/ट्विस्टेबल बॅटरीसाठी मानवी जॉइंट इंस्पायर्ड स्ट्रक्चरल डिझाइन: अ‍ॅचिविंग मल्टिपल डिफॉर्मेबिलिटी" या शीर्षकाचा एक पेपर प्रकाशित केला. विज्ञान हे काम मानवी सांध्यांच्या संरचनेवरून प्रेरित होते आणि संयुक्त प्रणालीप्रमाणेच एक प्रकारचे लवचिक LIB डिझाइन केले होते. या नवीन डिझाइनच्या आधारे, तयार केलेली, लवचिक बॅटरी उच्च ऊर्जा घनता प्राप्त करू शकते आणि 180° वर वाकली किंवा दुमडली जाऊ शकते. त्याच वेळी, संरचनात्मक रचना वेगवेगळ्या वळण पद्धतींद्वारे बदलली जाऊ शकते जेणेकरून लवचिक LIB मध्ये विकृत क्षमता असते, ते अधिक गंभीर आणि जटिल विकृतींवर लागू केले जाऊ शकतात (वाइंडिंग आणि वळणे), आणि अगदी ताणले जाऊ शकतात आणि त्यांची विकृती क्षमता आहे. लवचिक LIB च्या पूर्वीच्या अहवालांपेक्षा खूप जास्त. मर्यादित घटक सिम्युलेशन विश्लेषणाने पुष्टी केली की या पेपरमध्ये डिझाइन केलेली बॅटरी विविध कठोर आणि जटिल विकृतींमध्ये वर्तमान मेटल कलेक्टरचे अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विकृत होणार नाही. त्याच वेळी, एकत्रित स्क्वेअर युनिट बॅटरी 371.9 Wh/L पर्यंत ऊर्जा घनता प्राप्त करू शकते, जी पारंपारिक सॉफ्ट पॅक बॅटरीच्या 92.9% आहे. याव्यतिरिक्त, ते 200,000 पेक्षा जास्त वेळा डायनॅमिक बेंडिंग आणि 25,000 वेळा डायनॅमिक विकृतीनंतरही स्थिर सायकल कार्यप्रदर्शन राखू शकते.

पुढील संशोधनातून असे दिसून आले आहे की एकत्रित केलेला दंडगोलाकार युनिट सेल अधिक गंभीर आणि जटिल विकृतींचा सामना करू शकतो. 100,000 पेक्षा जास्त डायनॅमिक स्ट्रेचिंग्ज, 20,000 ट्विस्ट आणि 100,000 झुकता विकृतीकरणानंतर, ते अजूनही 88% पेक्षा जास्त - धारणा दराची उच्च क्षमता प्राप्त करू शकते. म्हणून, या पेपरमध्ये प्रस्तावित लवचिक LIBs परिधान करण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये व्यावहारिक अनुप्रयोगांसाठी मोठ्या प्रमाणात संभावना प्रदान करतात.

संशोधन हायलाइट्स

1) मानवी सांध्याद्वारे प्रेरित लवचिक LIB, वाकणे, वळणे, स्ट्रेचिंग आणि वळण विकृती अंतर्गत स्थिर सायकल कार्यप्रदर्शन राखू शकतात;

(2) चौरस लवचिक बॅटरीसह, ती 371.9 Wh/L पर्यंत ऊर्जा घनता प्राप्त करू शकते, जी पारंपारिक सॉफ्ट-पॅक बॅटरीच्या 92.9% आहे;

(३) वळणाच्या वेगवेगळ्या पद्धती बॅटरी स्टॅकचा आकार बदलू शकतात आणि बॅटरीला पुरेशी विकृती देऊ शकतात.

ग्राफिक मार्गदर्शक

संशोधनात असे दिसून आले आहे की, उच्च व्हॉल्यूम ऊर्जा घनता आणि अधिक जटिल विकृती सुनिश्चित करण्याव्यतिरिक्त, स्ट्रक्चरल डिझाइनने सध्याच्या कलेक्टरचे प्लास्टिक विकृत होणे देखील टाळले पाहिजे. मर्यादित घटक सिम्युलेशन दर्शविते की वर्तमान कलेक्टरची सर्वोत्तम पद्धत म्हणजे वर्तमान कलेक्टरची प्लास्टिकची विकृती आणि वर्तमान कलेक्टरचे अपरिवर्तनीय नुकसान टाळण्यासाठी वाकण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान लहान झुकण्याची त्रिज्या होण्यापासून रोखणे.

आकृती 1a मानवी सांध्याची रचना दर्शविते, ज्यामध्ये चतुराईने मोठ्या वक्र पृष्ठभागाची रचना सांधे सुरळीतपणे फिरण्यास मदत करते. यावर आधारित, आकृती 1b एक विशिष्ट ग्रेफाइट एनोड/डायाफ्राम/लिथियम कोबाल्टेट (LCO) एनोड दर्शविते, ज्याला चौरस जाडीच्या स्टॅक स्ट्रक्चरमध्ये जखमा केल्या जाऊ शकतात. जंक्शनवर, त्यात दोन जाड कडक स्टॅक आणि एक लवचिक भाग असतो. अधिक महत्त्वाचे म्हणजे, जाड स्टॅकमध्ये संयुक्त हाडांच्या आवरणाप्रमाणे वक्र पृष्ठभाग असतो, जो बफर दाबास मदत करतो आणि लवचिक बॅटरीची प्राथमिक क्षमता प्रदान करतो. लवचिक भाग एक अस्थिबंधन म्हणून कार्य करतो, जाड स्टॅक जोडतो आणि लवचिकता प्रदान करतो (आकृती 1c). चौकोनी ढिगाऱ्यात वळण घेण्याव्यतिरिक्त, वळणाची पद्धत (आकृती 1d) बदलून दंडगोलाकार किंवा त्रिकोणी पेशी असलेल्या बॅटरी देखील तयार केल्या जाऊ शकतात. स्क्वेअर एनर्जी स्टोरेज युनिट्ससह लवचिक LIB साठी, बेंडिंग प्रक्रियेदरम्यान एकमेकांशी जोडलेले विभाग जाड स्टॅकच्या चाप-आकाराच्या पृष्ठभागावर फिरतील (आकृती 1e), ज्यामुळे लवचिक बॅटरीची ऊर्जा घनता लक्षणीय वाढते. याव्यतिरिक्त, लवचिक पॉलिमर एन्कॅप्सुलेशनद्वारे, दंडगोलाकार युनिट्ससह लवचिक LIBs स्ट्रेचेबल आणि लवचिक गुणधर्म प्राप्त करू शकतात (आकृती 1f).

आकृती 1 (अ) अद्वितीय अस्थिबंधन कनेक्शन आणि वक्र पृष्ठभागाची रचना लवचिकता प्राप्त करण्यासाठी आवश्यक आहे; (b) लवचिक बॅटरी संरचना आणि उत्पादन प्रक्रियेचे योजनाबद्ध आकृती; (c) हाड जाड इलेक्ट्रोड स्टॅकशी संबंधित आहे, आणि अस्थिबंधन अनरोल केलेले आहे (D) दंडगोलाकार आणि त्रिकोणी पेशींसह लवचिक बॅटरी रचना; (e) चौरस पेशींचे स्टॅकिंग योजनाबद्ध आकृती; (f) दंडगोलाकार पेशींचे स्ट्रेचिंग विरूपण.

यांत्रिक सिम्युलेशन विश्लेषणाच्या पुढील वापराने लवचिक बॅटरी संरचनेच्या स्थिरतेची पुष्टी केली. आकृती 2a सिलेंडर (180° रेडियन) मध्ये वाकल्यावर तांबे आणि अॅल्युमिनियम फॉइलचे ताण वितरण दर्शविते. परिणाम दर्शवितात की तांबे आणि अॅल्युमिनियम फॉइलचा ताण त्यांच्या उत्पादन शक्तीपेक्षा खूपच कमी आहे, हे दर्शविते की या विकृतीमुळे प्लास्टिकचे विकृतीकरण होणार नाही. सध्याचा मेटल कलेक्टर अपरिवर्तनीय नुकसान टाळू शकतो.

आकृती 2b जेव्हा वाकण्याची डिग्री आणखी वाढविली जाते तेव्हा ताण वितरण दर्शवते आणि तांबे फॉइल आणि अॅल्युमिनियम फॉइलचा ताण देखील त्यांच्या संबंधित उत्पन्न शक्तीपेक्षा कमी असतो. त्यामुळे, रचना चांगली टिकाऊपणा राखून फोल्डिंग विकृतीचा सामना करू शकते. वाकलेल्या विकृती व्यतिरिक्त, सिस्टम विशिष्ट प्रमाणात विकृती (आकृती 2c) प्राप्त करू शकते.

दंडगोलाकार युनिट्स असलेल्या बॅटरीसाठी, वर्तुळाच्या अंतर्निहित वैशिष्ट्यांमुळे, ते अधिक तीव्र आणि जटिल विकृती प्राप्त करू शकते. म्हणून, जेव्हा बॅटरी 180o (आकृती 2d, e) वर दुमडली जाते, तेव्हा ती मूळ लांबीच्या सुमारे 140% (आकृती 2f) पर्यंत पसरली जाते आणि 90o (आकृती 2g) पर्यंत वळवली जाते, तेव्हा ती यांत्रिक स्थिरता राखू शकते. याव्यतिरिक्त, जेव्हा वाकणे + वळणे आणि वळण विकृती स्वतंत्रपणे लागू केली जाते, तेव्हा डिझाइन केलेल्या LIBs संरचनेमुळे विविध गंभीर आणि जटिल विकृती अंतर्गत वर्तमान मेटल कलेक्टरचे अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विकृत होणार नाही.

आकृती 2 (ac) वाकणे, फोल्डिंग आणि वळणे अंतर्गत स्क्वेअर सेलचे मर्यादित घटक सिम्युलेशन परिणाम; (di) बेंडिंग, फोल्डिंग, स्ट्रेचिंग, वळणे, वाकणे + वळणे आणि वळणे अंतर्गत दंडगोलाकार सेलचे मर्यादित घटक सिम्युलेशन परिणाम.

डिझाइन केलेल्या लवचिक बॅटरीच्या इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेचे मूल्यमापन करण्यासाठी, LiCoO2 हे डिस्चार्ज क्षमता आणि सायकल स्थिरता तपासण्यासाठी कॅथोड सामग्री म्हणून वापरले गेले. आकृती 3a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, 1 सी मॅग्निफिकेशनवर विमान वाकणे, रिंग करणे, दुमडणे आणि वळणे यासाठी विकृत झाल्यानंतर चौरस पेशी असलेल्या बॅटरीची डिस्चार्ज क्षमता लक्षणीयरीत्या कमी होत नाही, याचा अर्थ यांत्रिक विकृतीमुळे डिझाईन तयार होणार नाही. इलेक्ट्रोकेमिकली होणारी लवचिक बॅटरी कामगिरी कमी होते. डायनॅमिक बेंडिंग (आकृती 3c, d) आणि डायनॅमिक टॉर्शन (आकृती 3e, f), आणि काही चक्रांनंतरही, चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग प्लॅटफॉर्म आणि लाँग-सायकल कामगिरीमध्ये कोणतेही स्पष्ट बदल होत नाहीत, याचा अर्थ असा होतो की अंतर्गत संरचना बॅटरी चांगली संरक्षित आहे.

आकृती 3 (अ) 1C अंतर्गत स्क्वेअर युनिट बॅटरीची चार्ज आणि डिस्चार्ज चाचणी; (b) वेगवेगळ्या परिस्थितीत चार्ज आणि डिस्चार्ज वक्र; (c, d) डायनॅमिक बेंडिंग अंतर्गत, बॅटरी सायकल कार्यप्रदर्शन आणि संबंधित चार्ज आणि डिस्चार्ज वक्र; (e, f) डायनॅमिक टॉर्शन अंतर्गत, बॅटरीची सायकल कार्यप्रदर्शन आणि वेगवेगळ्या चक्रांखाली संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज वक्र.

सिम्युलेशन विश्लेषण परिणाम दर्शवितात की वर्तुळाच्या अंतर्निहित वैशिष्ट्यांमुळे, दंडगोलाकार घटकांसह लवचिक LIB अधिक तीव्र आणि जटिल विकृतींचा सामना करू शकतात. म्हणून, दंडगोलाकार युनिटच्या लवचिक LIBs च्या इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेचे प्रदर्शन करण्यासाठी, चाचणी 1 C च्या दराने केली गेली, ज्यामध्ये असे दिसून आले की जेव्हा बॅटरीमध्ये विविध विकृती होतात तेव्हा इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेमध्ये जवळजवळ कोणताही बदल होत नाही. विकृतीमुळे व्होल्टेज वक्र बदलणार नाही (आकृती 4a, b).

दंडगोलाकार बॅटरीची इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता आणि यांत्रिक टिकाऊपणाचे अधिक मूल्यमापन करण्यासाठी, बॅटरीला 1 सी दराने डायनॅमिक स्वयंचलित लोड चाचणीच्या अधीन केले. संशोधनात असे दिसून आले की डायनॅमिक स्ट्रेचिंग (आकृती 4c, d), डायनॅमिक टॉर्शन (आकृती 4c, d) नंतर , आणि डायनॅमिक बेंडिंग + टॉर्शन (आकृती 4g, h), बॅटरी चार्ज-डिस्चार्ज सायकल कार्यप्रदर्शन आणि संबंधित व्होल्टेज वक्र प्रभावित होत नाही. आकृती 4i रंगीबेरंगी ऊर्जा स्टोरेज युनिटसह बॅटरीचे कार्यप्रदर्शन दर्शवते. डिस्चार्ज क्षमता 133.3 mAm g-1 ते 129.9 mAh g-1 पर्यंत क्षीण होते आणि प्रति सायकल क्षमतेची हानी फक्त 0.04% आहे, हे दर्शविते की विकृती त्याच्या सायकल स्थिरतेवर आणि डिस्चार्ज क्षमतेवर परिणाम करणार नाही.

आकृती 4 (a) 1 C वर दंडगोलाकार पेशींच्या वेगवेगळ्या कॉन्फिगरेशनची चार्ज आणि डिस्चार्ज सायकल चाचणी; (b) वेगवेगळ्या परिस्थितीत बॅटरीचे संबंधित चार्ज आणि डिस्चार्ज वक्र; (c, d) डायनॅमिक टेंशन डिस्चार्ज वक्र अंतर्गत सायकल कार्यप्रदर्शन आणि बॅटरीचा चार्ज; (e, f) डायनॅमिक टॉर्शन अंतर्गत बॅटरीचे सायकल कार्यप्रदर्शन आणि वेगवेगळ्या चक्रांखाली संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज वक्र; (g, h) डायनॅमिक बेंडिंग + टॉर्शन अंतर्गत बॅटरीचे सायकल कार्यप्रदर्शन आणि वेगवेगळ्या चक्रांतर्गत संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज वक्र; (I) 1 C वर वेगवेगळ्या कॉन्फिगरेशनसह प्रिझमॅटिक युनिट बॅटरीची चार्ज आणि डिस्चार्ज चाचणी.

प्रॅक्टिसमध्ये विकसित लवचिक बॅटरीच्या वापराचे मूल्यमापन करण्यासाठी, लेखक काही व्यावसायिक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादने, जसे की इयरफोन, स्मार्ट घड्याळे, मिनी इलेक्ट्रिक पंखे, कॉस्मेटिक उपकरणे आणि स्मार्ट फोन्स चालविण्यासाठी विविध प्रकारच्या ऊर्जा साठवण युनिट्ससह संपूर्ण बॅटरी वापरतात. दोन्ही दैनंदिन वापरासाठी पुरेशा आहेत, विविध लवचिक आणि घालण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांच्या वापराच्या क्षमतेला पूर्णपणे मूर्त रूप देतात.

आकृती 5 डिझाइन केलेली बॅटरी इयरफोन, स्मार्ट घड्याळे, मिनी इलेक्ट्रिक पंखे, कॉस्मेटिक उपकरणे आणि स्मार्टफोनवर लागू करते. लवचिक बॅटरी (अ) इयरफोन्स, (ब) स्मार्ट घड्याळे आणि (क) मिनी इलेक्ट्रिक पंख्यांना वीज पुरवते; (d) कॉस्मेटिक उपकरणांसाठी वीज पुरवठा; (e) वेगवेगळ्या विकृतीच्या परिस्थितीत, लवचिक बॅटरी स्मार्टफोनसाठी उर्जा पुरवते.

सारांश आणि दृष्टीकोन

सारांश, हा लेख मानवी सांध्याच्या संरचनेवरून प्रेरित आहे. उच्च उर्जेची घनता, एकाधिक विकृती आणि टिकाऊपणासह लवचिक बॅटरी तयार करण्यासाठी ते एक अद्वितीय डिझाइन पद्धत प्रस्तावित करते. पारंपारिक लवचिक LIB च्या तुलनेत, हे नवीन डिझाइन सध्याच्या मेटल कलेक्टरचे प्लास्टिकचे विकृत रूप प्रभावीपणे टाळू शकते. त्याच वेळी, या पेपरमध्ये डिझाइन केलेल्या ऊर्जा स्टोरेज युनिटच्या दोन्ही टोकांना आरक्षित वक्र पृष्ठभाग प्रभावीपणे एकमेकांशी जोडलेल्या घटकांच्या स्थानिक तणावापासून मुक्त होऊ शकतात. याव्यतिरिक्त, वेगवेगळ्या वळण पद्धती स्टॅकचा आकार बदलू शकतात, ज्यामुळे बॅटरी पुरेशी विकृत होते. नवीन डिझाइनमुळे लवचिक बॅटरी उत्कृष्ट सायकल स्थिरता आणि यांत्रिक टिकाऊपणाचे प्रदर्शन करते आणि विविध लवचिक आणि घालण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांमध्ये विस्तृत अनुप्रयोगाच्या शक्यता आहेत.

साहित्य लिंक

वाकण्यायोग्य/फोल्डेबल/स्ट्रेचेबल/ट्विस्टेबल बॅटरीसाठी मानवी संयुक्त-प्रेरित संरचनात्मक डिझाइन: एकाधिक विकृती साध्य करणे. (ऊर्जा वातावरण. विज्ञान, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)