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            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池
            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

            研究背景

            近年來,對于電子產品的需求不斷增長,推動了柔性和高能量密度存儲設備的迅猛發展。具有高能量密度和穩定電化學性能的柔性鋰離子電池(LIBs),被認為是用于可穿戴電子產品中最有前途的電池技術。雖然利用薄膜電極和聚合物基電極大幅度提高了LIBs的柔性性能,但存在以下問題:
            (1)大多數柔性電池由“負極-隔膜-正極”堆疊而成,其有限的變形能力和多層堆疊之間的滑移,制約了LIBs的整體性能;
            (2)在一些更加苛刻的條件下,如折疊、拉伸、纏繞和復雜變形時,電池性能不能夠得到保障;
            (3)部分設計策略忽略了金屬集流體的變形問題。
            因此,同時實現其小的彎曲角度、多種變形模式、優越的機械耐久性和高能量密度仍然面臨著諸多挑戰。
            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

            成果簡介

            近日,香港城市大學支春義教授和韓翠平博士Energy Environ. Sci.上發表了題為“Human joint inspired structural design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability”的論文。該工作受人類關節結構的啟發,設計了一種類似于關節結構的柔性LIBs?;谶@種新穎的設計,所制備的柔性電池不僅可實現高能量密度,且能夠彎曲甚至進行180o折疊。同時,通過不同的卷繞方式可以改變構造結構,使柔性LIBs具有豐富的變形能力,能夠適用更苛刻、更復雜的變形(纏繞和扭曲),甚至可以拉伸,其變形能力遠超于之前報道的柔性LIBs。有限元模擬分析證實,本文設計的電池不會在各種苛刻和復雜的變形下,發生金屬集流體不可逆塑性變形。同時,組裝的方形單元電池能夠實現高達371.9 Wh/L的能量密度,是傳統軟包電池的92.9%。此外,即使經過超過20萬次動態彎曲和2.5萬次動態扭曲變形,也能保持穩定的循環性能。進一步研究表明,組裝的柱形單元電池可以承受更苛刻和復雜的變形,其經過10萬多次動態拉伸、2萬次扭曲和10萬次彎曲變形后,仍可實現88%以上的高容量保持率。因此,本文提出的柔性LIBs為可穿戴電子領域的實際應用提供了巨大的前景。
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            研究亮點

            (1)受人體關節啟發所設計的柔性LIBs,能夠在彎曲、扭曲、拉伸和纏繞等變形下,保持穩定的循環性能;
            (2)具有方形柔性電池能夠實現高達371.9 Wh/L的能量密度,是傳統軟包電池的92.9%;
            (3)不同的卷繞方式可以改變電池堆疊的形狀,賦予電池充分的變形能力。
            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

            圖文導讀

            1.新型仿生柔性LIBs設計
            研究表明,結構設計除了需確保能夠實現高體積能量密度和更復雜的變形外,還必須避免集流體的塑性變形。有限元模擬表明,最佳的集流體設計應該是:在彎曲過程中,防止集流體發生較小的彎曲半徑,從而避免集流體產生塑性變形和不可逆破壞。
            圖1a顯示了人體關節結構,其中巧妙的較大弧度表面設計有助于關節的順暢旋轉?;诖?,圖1b展示了典型的石墨負極/隔膜/鈷酸鋰(LCO)正極,可卷繞成立方形的厚堆疊結構。在交界處,它由兩個厚厚的剛性堆疊和一個柔性部分組成。更重要的是,厚堆疊有一個相當于骨骼關節蓋的彎曲表面,有利于緩沖壓力,且提供柔性電池的主要容量。柔性部分作為韌帶,連接厚堆疊并提供柔韌性(圖1c)。除了纏繞成立方形堆疊外,還可以通過改變卷繞方式制造具有圓柱體或三角形單元的電池(圖1d)。對于具有方形儲能單元的柔性LIBs,相互連接的段在彎曲過程中將沿厚堆疊的弧形表面發生卷繞運動(圖1e),從而顯著提高柔性電池的能量密度。此外,通過使用彈性聚合物封裝,具有圓柱形單元的柔性LIBs能夠實現可拉伸、柔性性質(圖1f)。

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            圖1 (a)獨特的韌帶連接和弧度表面的設計對于實現柔性至關重要;(b)柔性電池結構和制造過程的示意圖;(c)骨骼對應于較厚的電極堆,韌帶對應于未卷繞的部分,且關節對應于弧度表面;(d)具有圓柱形和三角形單元的柔性電池結構;(e)方形單元電池的堆疊原理圖;(f)具有圓柱形單元電池的拉伸變形。
            2.有限元模擬分析
            進一步使用機械仿真分析,證實了柔性電池結構的穩定性。圖2a顯示了在彎曲成圓柱體(弧度為180o)時,銅箔和鋁箔的應力分布,結果表明,銅箔和鋁箔的應力遠低于其屈服強度,表明這種變形不會引起塑性變形,金屬集流體可以避免不可逆的損傷。
            圖2b顯示了在進一步增加彎曲程度時的應力分布,銅箔和鋁箔的應力也小于它們相應的屈服強度。因此,該結構能夠承受折疊變形,同時保持良好的耐久性。除了彎曲變形外,該結構還能實現一定程度的扭曲變形(圖2c)。
            對于具有圓柱形單位的電池,由于圓的內在特征,可以實現更苛刻和復雜的變形。因此,當電池分別在折疊到180o(圖2d,e),拉伸到初始長度的140%左右(圖2f)以及扭轉到90o(圖2g)時,均能夠保持機械穩定性。此外,當分別施加彎曲+扭曲和卷繞變形時,所設計的LIBs結構并不會導致金屬集流體在各種惡劣和復雜的變形下,發生不可逆的塑性變形。

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            圖2 (a-c)在彎曲、折疊和扭曲下,方形單元電池的有限元模擬結果;(d-i)在彎曲、折疊、拉伸、扭曲、彎曲+扭轉和卷繞下,圓柱單位電池有限元模擬結果。
            3.方形儲能單元的柔性LIBs電化學性能
            為了評價所設計的柔性電池的電化學性能,采用LiCoO2作為正極材料來測試放電容量和循環穩定性。如圖3a所示,具有方形單元的電池在1 C倍率下,依次從而平面變形為彎曲、環形、折疊和扭曲后,放電容量無明顯下降,意味著機械變形不會使設計的柔性電池電化學性能下降。即使經歷動態彎曲(圖3c,d)和動態扭轉(圖3e,f),且循環一定圈數后,充放電平臺和長循環性能沒有明顯的變化,意味著電池內部結構得到了很好的保護。

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            圖3 (a)1C下方形單元電池的充放電測試;(b)不同條件下的充放電曲線;(c,d)在動態彎曲下,電池的循環性能和相應的充放電曲線;(e,f)在動態扭轉下,電池的循環性能和不同循環下相應的充放電曲線。
            4.柱形儲能單元的柔性LIBs電化學性能
            仿真分析結果表明,得益于圓的內在特征,具有柱形單元的柔性LIBs可以承受更極端和復雜的變形。因此,為了展示柱形單元的柔性LIBs的電化學性能,在1 C倍率下進行測試,表明在電池發生各種變形時,電化學性能幾乎沒有變化,且變形不會導致電壓曲線發生變化(圖4a,b)。
            為了進一步評估柱形電池的電化學穩定性和機械耐久性,該電池在1 C倍率下進行了動態機械載荷測試。研究表明,依次經過動態拉伸(圖4c,d)、動態扭轉(圖4e,f)以及動態彎曲+扭轉(圖4g,h),電池充放電循環性能以及對應的電壓曲線均未受到影響。圖4i顯示了具有棱柱形儲能單元的電池性能,放電容量從133.3  mAm g-1衰減到129.9 mAh g-1,每圈容量損失僅為0.04%,表明變形不會影響其循環穩定性和放電容量。

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            圖4 (a)在1 C下不同配置圓柱單元電池的充放電循環測試;(b)不同條件下,電池相應的充放電曲線;(c,d)電池在動態拉伸下的循環性能和充放電曲線;(e,f)電池在動態扭轉下的循環性能和不同循環下相應的充放電曲線;(g,h)電池在動態彎曲+扭轉下的循環性能和不同循環下相應的充放電曲線;(i)1 C下不同配置的棱柱形單元電池的充放電測試。
            5.柔性和可穿戴的電子產品的應用
            為了評估已開發的柔性電池在實際中的應用,作者采用具有不同類型儲能單元的全電池為一些商業化電子產品提供動力,如耳機、智能手表、迷你電風扇、化妝品儀器和智能手機等,都夠實現正常的使用,充分體現了在各種柔性和可穿戴的電子產品的應用潛力。

            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

            圖5 將設計的電池應用于耳機、智能手表、迷你電風扇、化妝品儀器和智能手機。柔性電池為(a)耳機、(b)智能手表和(c)迷你電風扇供電;(d)為化妝品儀器供電;(e)在不同變形的情況下,柔性電池為智能手機供電。
            香港城大EES:受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

            總結與展望

            綜上所述,本文受人體關節結構的啟發,提出了一種獨特的制造高能量密度、多重變形性和持久耐用的柔性電池設計方法。與傳統的柔性LIBs相比,該新型設計可以有效地避免金屬集流體的塑性變形。同時,本文設計的儲能單元兩端預留的彎曲曲面,可有效緩解互聯部件的局部應力。此外,不同的卷繞方式可以改變堆疊的形狀,賦予電池足夠的變形能力。得益于新穎的設計,柔性電池表現出優異的循環穩定性和機械耐久性,在各種柔性和可穿戴電子產品中具有極其廣闊的應用前景。
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            文獻鏈接

            Human joint inspired structural design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: achieving multiple deformability.  (Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)
            原文鏈接:
            https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00480h#!divAbstract
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