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Hong Kong CityU EES: 인간의 관절에서 영감을 받은 유연한 리튬 이온 배터리

15 10 월 2021

By hoppt

연구 배경

전자 제품에 대한 수요 증가는 최근 몇 년 동안 유연하고 에너지 밀도가 높은 저장 장치의 급속한 개발을 촉진했습니다. 유연한 리튬 이온 배터리 높은 에너지 밀도와 안정적인 전기화학적 성능을 갖는 (LIB)는 웨어러블 전자 제품의 가장 유망한 배터리 기술로 간주됩니다. 박막 전극과 고분자 기반 전극을 사용하면 LIB의 유연성이 크게 향상되지만 다음과 같은 문제가 있습니다.

(1) 대부분의 플렉서블 배터리는 "음극-분리막-양극"으로 적층되며, 제한된 변형성 및 다층 적층 사이의 미끄러짐이 LIB의 전체 성능을 제한합니다.

(2) 접기, 늘리기, 감기 및 복잡한 변형과 ​​같은 보다 가혹한 조건에서는 배터리 성능을 보장할 수 없습니다.

(3) 설계 전략의 일부는 현재 금속 집전체의 변형을 무시합니다.

따라서 약간의 굽힘 각도, 다중 변형 모드, 우수한 기계적 내구성 및 높은 에너지 밀도를 동시에 달성하는 것은 여전히 ​​많은 과제에 직면해 있습니다.

개요

최근에 홍콩 시립 대학의 Zhi Chunyi 교수와 Dr. Cuiping Han은 Energy Environ에 "인간 관절에서 영감을 받은 구부릴 수 있는/접을 수 있는/늘어날 수 있는/꼬임 배터리를 위한 구조 설계: 다중 변형 가능성 달성"이라는 제목의 논문을 발표했습니다. 과학 이 작업은 인간 관절의 구조에서 영감을 받아 관절 시스템과 유사한 일종의 유연한 LIB를 설계했습니다. 이 새로운 디자인을 기반으로 준비된 유연한 배터리는 높은 에너지 밀도를 달성하고 180°로 구부러지거나 접힐 수 있습니다. 동시에 구조적 구조는 유연한 LIB가 풍부한 변형 기능을 가지며 더 심각하고 복잡한 변형(권선 및 비틀림)에 적용할 수 있으며 신장될 수 있도록 다양한 권선 방법을 통해 변경될 수 있으며 변형 기능은 다음과 같습니다. 유연한 LIB에 대한 이전 보고서를 훨씬 능가합니다. 유한 요소 시뮬레이션 분석은 본 논문에서 설계된 배터리가 다양한 거칠고 복잡한 변형 하에서 현재 금속 집전체의 비가역적 소성 변형을 겪지 않음을 확인했습니다. 동시에 조립된 정사각형 단위 배터리는 기존 소프트 팩 배터리의 371.9%인 최대 92.9Wh/L의 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다. 또한 200,000회 이상의 동적 벤딩 및 25,000회 이상의 동적 왜곡 후에도 안정적인 사이클 성능을 유지할 수 있습니다.

추가 연구에 따르면 조립된 원통형 단위 셀은 더 심각하고 복잡한 변형을 견딜 수 있습니다. 100,000번 이상의 동적 스트레칭, 20,000번의 비틀림 및 100,000번 이상의 굽힘 변형 후에도 여전히 88% 이상의 고용량(유지율)을 달성할 수 있습니다. 따라서 이 논문에서 제안하는 유연한 LIB는 웨어러블 전자 제품의 실제 응용에 대한 거대한 전망을 제공합니다.

연구 하이라이트

1) 인체 관절에서 영감을 받은 유연한 LIB는 굽힘, 비틀림, 신축 및 감기 변형 시 안정적인 사이클 성능을 유지할 수 있습니다.

(2) 정사각형 플렉서블 배터리를 사용하면 기존 소프트팩 배터리의 371.9%인 최대 92.9Wh/L의 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.

(3) 다른 감기 방법은 배터리 스택의 모양을 변경하고 배터리에 충분한 변형성을 부여할 수 있습니다.

그래픽 가이드

1. 바이오닉 플렉서블 LIB의 새로운 유형 설계

연구에 따르면 높은 체적 에너지 밀도와 더 복잡한 변형을 보장하는 것 외에도 구조 설계는 집전체의 소성 변형도 방지해야 합니다. 유한 요소 시뮬레이션은 집전체의 가장 좋은 방법은 집전체의 소성 변형 및 비가역적 손상을 피하기 위해 굽힘 과정에서 집전체가 작은 굽힘 반경을 갖는 것을 방지하는 것이어야 함을 보여줍니다.

그림 1a는 인간 관절의 구조를 보여주며, 교묘하게 더 큰 곡면 디자인은 관절이 부드럽게 회전하도록 도와줍니다. 이를 바탕으로 그림 1b는 일반적인 흑연 양극/격막/리튬 코발테이트(LCO) 양극을 보여주고 있으며, 이는 정사각형 두께의 스택 구조로 권취될 수 있습니다. 접합부에서 두 개의 두꺼운 단단한 스택과 유연한 부품으로 구성됩니다. 더 중요한 것은 두꺼운 스택이 관절 뼈 덮개와 같은 곡면을 가지고 있어 압력을 완충하는 데 도움이 되고 플렉서블 배터리의 1차 용량을 제공한다는 것입니다. 탄성 부분은 인대 역할을 하여 두꺼운 스택을 연결하고 유연성을 제공합니다(그림 1c). 사각형 더미로 감는 것 외에도 원통형 또는 삼각형 셀이 있는 배터리는 감기 방법을 변경하여 제조할 수도 있습니다(그림 1d). 정사각형 에너지 저장 장치가 있는 유연한 LIB의 경우, 상호 연결된 세그먼트는 굽힘 과정(그림 1e) 동안 두꺼운 스택의 호 모양 표면을 따라 구르므로 유연한 배터리의 에너지 밀도가 크게 증가합니다. 또한 탄성 폴리머 캡슐화를 통해 원통형 단위가 있는 유연한 LIB는 신축성 및 유연한 특성을 달성할 수 있습니다(그림 XNUMXf).

그림 1(a) 고유한 인대 연결과 곡면의 디자인은 유연성을 달성하는 데 필수적입니다. (b) 플렉서블 배터리 구조 및 제조 공정의 개략도; (c) 뼈는 더 두꺼운 전극 스택에 해당하고 인대는 펴진 상태에 해당합니다. (D) 원통형 및 삼각형 셀이 있는 유연한 배터리 구조; (e) 정사각형 셀의 스태킹 개략도; (f) 원통형 셀의 신축 변형.

2. 유한 요소 시뮬레이션 해석

기계적 시뮬레이션 분석을 추가로 사용하여 유연한 배터리 구조의 안정성을 확인했습니다. 그림 2a는 실린더(180° 라디안)로 구부렸을 때 구리와 알루미늄 호일의 응력 분포를 보여줍니다. 결과는 구리 및 알루미늄 호일의 응력이 항복 강도보다 훨씬 낮으며 이 변형이 소성 변형을 일으키지 않음을 나타냅니다. 현재 금속 수집가는 돌이킬 수 없는 손상을 피할 수 있습니다.

그림 2b는 굽힘 정도가 더 증가할 때 응력 분포를 보여주고 있으며, 동박과 알루미늄 박의 응력도 해당 항복 강도보다 작습니다. 따라서 구조는 우수한 내구성을 유지하면서 접는 변형을 견딜 수 있습니다. 굽힘 변형 외에도 시스템은 어느 정도의 왜곡을 달성할 수 있습니다(그림 2c).

원통형 배터리의 경우 원형의 고유한 특성으로 인해 더 심각하고 복잡한 변형이 발생할 수 있습니다. 따라서 배터리를 180o로 접고(그림 2d, e), 원래 길이의 약 140%로 늘인 다음(그림 2f), 90o로 비틀면(그림 2g) 기계적 안정성을 유지할 수 있다. 또한 굽힘 + 비틀림 및 권선 변형이 별도로 적용될 때 설계된 LIB 구조는 다양한 심각하고 복잡한 변형에서 집전체의 비가역적 소성 변형을 일으키지 않습니다.

그림 2(ac) 굽힘, 접힘 및 비틀림이 적용된 정사각형 셀의 유한 요소 시뮬레이션 결과; (di) 굽힘, 접힘, 신축, 비틀림, 굽힘 + 비틀림 및 감기 상태에서 원통형 셀의 유한 요소 시뮬레이션 결과.

3. 정사각형 에너지 저장 장치의 유연한 LIB의 전기 화학적 성능

설계된 플렉서블 배터리의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 양극재로 LiCoO2를 사용하여 방전 용량과 사이클 안정성을 테스트했습니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 1C 배율에서 평면이 구부러지고, 링이 되고, 접히고, 꼬이도록 변형된 후에도 정사각형 셀이 있는 배터리의 방전 용량은 크게 감소하지 않으므로 기계적 변형으로 인해 설계가 손상되지 않습니다. 전기화학적으로 플렉서블 배터리 성능이 떨어집니다. 동적 굽힘(그림 3c, d) 및 동적 비틀림(그림 3e, f) 후에도 특정 주기 후에도 충전 및 방전 플랫폼과 긴 주기 성능에는 명백한 변화가 없습니다. 배터리가 잘 보호되어 있습니다.

그림 3 (a) 1C에서 각형 단위 배터리의 충방전 테스트; (b) 다른 조건에서의 충전 및 방전 곡선; (c, d) 동적 굽힘, 배터리 사이클 성능 및 해당 충전 및 방전 곡선에서; (e, f) 동적 비틀림에서 배터리의 주기 성능과 다른 주기에서 해당하는 충전-방전 곡선.

4. 원통형 에너지 저장 장치의 유연한 LIB의 전기 화학적 성능

시뮬레이션 분석 결과는 원의 고유한 특성 덕분에 원통형 요소가 있는 유연한 LIB가 더 극단적이고 복잡한 변형을 견딜 수 있음을 보여줍니다. 따라서 원통형 유닛의 Flexible LIB의 전기화학적 성능을 입증하기 위해 1C의 속도로 테스트를 수행하여 배터리가 다양한 변형을 겪을 때 전기화학적 성능의 변화가 거의 없음을 보여주었다. 변형으로 인해 전압 곡선이 변경되지 않습니다(그림 4a, b).

원통형 배터리의 전기화학적 안정성과 기계적 내구성을 추가로 평가하기 위해 배터리를 1C의 속도로 동적 자동 부하 테스트를 거쳤습니다. 연구에 따르면 동적 스트레칭(그림 4c, d) 후 동적 비틀림(그림 4e, f) , 동적 굽힘 + 비틀림(그림 4g, h), 배터리 충방전 사이클 성능 및 해당 전압 곡선은 영향을 받지 않습니다. 그림 4i는 다채로운 에너지 저장 장치가 있는 배터리의 성능을 보여줍니다. 방전 용량은 133.3mAm g-1에서 129.9mAh g-1로 감소하고 사이클당 용량 손실은 0.04%에 불과하여 변형이 사이클 안정성과 방전 용량에 영향을 미치지 않음을 나타냅니다.

그림 4(a) 1C에서 원통형 셀의 다양한 구성에 대한 충전 및 방전 사이클 테스트. (b) 다른 조건에서 배터리의 해당 충전 및 방전 곡선; (c, d) 동적 장력에서 배터리의 사이클 성능 및 충전 방전 곡선; (e, f) 동적 비틀림 하에서 배터리의 사이클 성능과 다른 사이클에서 상응하는 충전-방전 곡선; (g, h) 동적 굽힘 + 비틀림 하에서 배터리의 사이클 성능 및 다른 사이클에서 상응하는 충전-방전 곡선; (I) 1C에서 구성이 다른 각형 단위 배터리의 충전 및 방전 테스트.

5. 플렉서블 및 웨어러블 전자 제품의 응용

개발된 플렉서블 배터리의 실제 적용을 평가하기 위해 저자는 이어폰, 스마트 워치, 미니 선풍기, 화장품 기기 및 스마트 폰과 같은 일부 상업용 전자 제품에 전원을 공급하기 위해 다양한 유형의 에너지 저장 장치가 있는 전체 배터리를 사용합니다. 둘 다 일상적인 사용에 충분하며 다양한 플렉서블 및 웨어러블 전자 제품의 응용 가능성을 완전히 구현합니다.

그림 5는 설계된 배터리를 이어폰, 스마트워치, 미니 선풍기, 화장품, 스마트폰에 적용한 것이다. 유연한 배터리는 (a) 이어폰, (b) 스마트워치, (c) 미니 선풍기에 전원을 공급합니다. (d) 화장품 장비에 전원을 공급합니다. (e) 다양한 변형 조건에서 플렉서블 배터리는 스마트폰에 전원을 공급합니다.

요약 및 전망

요약하면, 이 기사는 인간 관절의 구조에서 영감을 받았습니다. 높은 에너지 밀도, 다중 변형성 및 내구성을 갖춘 플렉서블 배터리를 제조하기 위한 독창적인 설계 방법을 제안합니다. 기존의 유연한 LIB와 비교하여 이 새로운 디자인은 현재 금속 수집기의 소성 변형을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 동시에, 본 논문에서 설계된 에너지 저장 장치의 양단에 남겨진 곡면은 상호 연결된 구성요소의 국부적 응력을 효과적으로 완화할 수 있다. 또한 다양한 권선 방법으로 스택의 모양을 변경할 수 있어 배터리에 충분한 변형성을 부여할 수 있습니다. 플렉서블 배터리는 참신한 디자인으로 인해 우수한 사이클 안정성과 기계적 내구성을 나타내며 다양한 플렉서블 및 웨어러블 전자 제품에 대한 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다.

문헌 링크

구부릴 수 있는/접을 수 있는/늘어날 수 있는/꼬임 가능한 배터리를 위한 인간의 관절에서 영감을 받은 구조 설계: 다중 변형성을 달성합니다. (에너지 환경. 공상 과학, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)

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