हांगकांग सिटीयू ईईएस: मानव जोड़ों से प्रेरित लचीली लिथियम-आयन बैटरी
By hoppt
अनुसंधान बैकग्राउंड
इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की बढ़ती मांग ने हाल के वर्षों में लचीले और उच्च-ऊर्जा-घनत्व भंडारण उपकरणों के तेजी से विकास को बढ़ावा दिया है। लचीली लिथियम आयन बैटरी (एलआईबी) उच्च ऊर्जा घनत्व और स्थिर विद्युत रासायनिक प्रदर्शन के साथ पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के लिए सबसे आशाजनक बैटरी तकनीक मानी जाती है। यद्यपि पतली-फिल्म इलेक्ट्रोड और बहुलक-आधारित इलेक्ट्रोड का उपयोग नाटकीय रूप से एलआईबी के लचीलेपन में सुधार करता है, निम्नलिखित समस्याएं हैं:
(1) अधिकांश लचीली बैटरियों को "नकारात्मक इलेक्ट्रोड-सेपरेटर-पॉजिटिव इलेक्ट्रोड" द्वारा स्टैक किया जाता है, और उनकी सीमित विकृति और बहुपरत स्टैक के बीच फिसलन एलआईबी के समग्र प्रदर्शन को प्रतिबंधित करती है;
(2) कुछ और गंभीर परिस्थितियों में, जैसे फोल्डिंग, स्ट्रेचिंग, वाइंडिंग और जटिल विरूपण, यह बैटरी के प्रदर्शन की गारंटी नहीं दे सकता है;
(3) डिजाइन रणनीति का हिस्सा वर्तमान धातु कलेक्टर के विरूपण की उपेक्षा करता है।
इसलिए, एक साथ अपने मामूली झुकने वाले कोण, कई विरूपण मोड, बेहतर यांत्रिक स्थायित्व और उच्च ऊर्जा घनत्व को प्राप्त करने के लिए अभी भी कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।
परिचय
हाल ही में, हांगकांग के सिटी यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर चुनयी ज़ी और डॉ. क्यूपिंग हान ने एनर्जी एनवायरन पर "बेंडेबल/फोल्डेबल/स्ट्रेचेबल/ट्विस्टेबल बैटरी के लिए ह्यूमन जॉइंट इंस्पायर्ड स्ट्रक्चरल डिज़ाइन: मल्टीपल डिफॉर्मेबिलिटी हासिल करना" शीर्षक से एक पेपर प्रकाशित किया। विज्ञान यह काम मानव जोड़ों की संरचना से प्रेरित था और संयुक्त प्रणाली के समान एक प्रकार के लचीले एलआईबी को डिजाइन किया था। इस उपन्यास डिजाइन के आधार पर, तैयार, लचीली बैटरी उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त कर सकती है और 180 डिग्री पर मुड़ी या मुड़ी हुई हो सकती है। एक ही समय में, संरचनात्मक संरचना को विभिन्न घुमावदार तरीकों के माध्यम से बदला जा सकता है ताकि लचीले एलआईबी में समृद्ध विरूपण क्षमता हो, अधिक गंभीर और जटिल विकृतियों (घुमावदार और घुमा) पर लागू किया जा सकता है, और यहां तक कि बढ़ाया जा सकता है, और उनकी विरूपण क्षमताएं हैं लचीली एलआईबी की पिछली रिपोर्टों से कहीं आगे। परिमित तत्व सिमुलेशन विश्लेषण ने पुष्टि की कि इस पेपर में डिज़ाइन की गई बैटरी विभिन्न कठोर और जटिल विकृतियों के तहत वर्तमान धातु कलेक्टर के अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विरूपण से नहीं गुजरेगी। साथ ही, असेंबल्ड स्क्वायर यूनिट बैटरी 371.9 Wh/L तक की ऊर्जा घनत्व प्राप्त कर सकती है, जो पारंपरिक सॉफ्ट पैक बैटरी का 92.9% है। इसके अलावा, यह गतिशील झुकने के 200,000 से अधिक बार और गतिशील विरूपण के 25,000 बार के बाद भी स्थिर चक्र प्रदर्शन को बनाए रख सकता है।
आगे के शोध से पता चलता है कि इकट्ठे बेलनाकार इकाई कोशिका अधिक गंभीर और जटिल विकृतियों का सामना कर सकती है। 100,000 से अधिक गतिशील स्ट्रेचिंग, 20,000 मोड़, और 100,000 झुकने विकृतियों के बाद, यह अभी भी 88% से अधिक की उच्च क्षमता प्राप्त कर सकता है - प्रतिधारण दर। इसलिए, इस पत्र में प्रस्तावित लचीले एलआईबी पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक व्यापक संभावना प्रदान करते हैं।
अनुसंधान की मुख्य विशेषताएं
1) लचीले एलआईबी, मानव जोड़ों से प्रेरित, झुकने, घुमाने, खींचने और घुमावदार विकृतियों के तहत स्थिर चक्र प्रदर्शन को बनाए रख सकते हैं;
(2) वर्गाकार लचीली बैटरी के साथ, यह 371.9 Wh/L तक की ऊर्जा घनत्व प्राप्त कर सकती है, जो पारंपरिक सॉफ्ट-पैक बैटरी का 92.9% है;
(3) विभिन्न घुमावदार तरीके बैटरी स्टैक के आकार को बदल सकते हैं और बैटरी को पर्याप्त विकृति दे सकते हैं।
ग्राफिक गाइड
1. नए प्रकार के बायोनिक लचीले एलआईबी का डिजाइन
अनुसंधान से पता चला है कि, उच्च मात्रा ऊर्जा घनत्व और अधिक जटिल विरूपण सुनिश्चित करने के अलावा, संरचनात्मक डिजाइन को वर्तमान कलेक्टर के प्लास्टिक विरूपण से भी बचना चाहिए। परिमित तत्व सिमुलेशन से पता चलता है कि वर्तमान कलेक्टर का सबसे अच्छा तरीका वर्तमान कलेक्टर को प्लास्टिक विरूपण और वर्तमान कलेक्टर की अपरिवर्तनीय क्षति से बचने के लिए झुकने की प्रक्रिया के दौरान एक छोटे से झुकने वाले त्रिज्या को रोकने के लिए होना चाहिए।
चित्र 1a मानव जोड़ों की संरचना को दर्शाता है, जिसमें बड़ी चतुराई से घुमावदार सतह का डिज़ाइन जोड़ों को सुचारू रूप से घूमने में मदद करता है। इसके आधार पर, चित्र 1बी एक विशिष्ट ग्रेफाइट एनोड/डायाफ्राम/लिथियम कोबाल्टेट (एलसीओ) एनोड दिखाता है, जिसे एक वर्ग मोटी स्टैक संरचना में घाव किया जा सकता है। जंक्शन पर, इसमें दो मोटे कठोर ढेर और एक लचीला हिस्सा होता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि मोटे ढेर में संयुक्त हड्डी के कवर के बराबर एक घुमावदार सतह होती है, जो बफर दबाव में मदद करती है और लचीली बैटरी की प्राथमिक क्षमता प्रदान करती है। लोचदार भाग एक लिगामेंट के रूप में कार्य करता है, जो मोटे ढेर को जोड़ता है और लचीलापन प्रदान करता है (चित्र 1c)। एक वर्गाकार ढेर में वाइंडिंग के अलावा, बेलनाकार या त्रिकोणीय कोशिकाओं वाली बैटरियों का निर्माण वाइंडिंग विधि (चित्र 1d) को बदलकर भी किया जा सकता है। वर्ग ऊर्जा भंडारण इकाइयों के साथ लचीले एलआईबी के लिए, परस्पर जुड़े खंड झुकने की प्रक्रिया (चित्रा 1e) के दौरान मोटी स्टैक की चाप के आकार की सतह के साथ लुढ़केंगे, जिससे लचीली बैटरी की ऊर्जा घनत्व में काफी वृद्धि होगी। इसके अलावा, लोचदार पॉलीमर एनकैप्सुलेशन के माध्यम से, बेलनाकार इकाइयों के साथ लचीले एलआईबी स्ट्रेचेबल और लचीले गुण (चित्रा 1 एफ) प्राप्त कर सकते हैं।
चित्र 1 (ए) लचीलेपन को प्राप्त करने के लिए अद्वितीय लिगामेंट कनेक्शन और घुमावदार सतह का डिज़ाइन आवश्यक है; (बी) लचीली बैटरी संरचना और निर्माण प्रक्रिया का योजनाबद्ध आरेख; (सी) हड्डी मोटे इलेक्ट्रोड स्टैक से मेल खाती है, और लिगामेंट अनियंत्रित (डी) बेलनाकार और त्रिकोणीय कोशिकाओं के साथ लचीली बैटरी संरचना से मेल खाती है; (ई) वर्ग कोशिकाओं के योजनाबद्ध आरेख को ढेर करना; (च) बेलनाकार कोशिकाओं का खिंचाव विरूपण।
2. परिमित तत्व सिमुलेशन विश्लेषण
यांत्रिक सिमुलेशन विश्लेषण के आगे उपयोग ने लचीली बैटरी संरचना की स्थिरता की पुष्टि की। चित्रा 2ए तांबे और एल्यूमीनियम पन्नी के तनाव वितरण को दर्शाता है जब एक सिलेंडर (180 डिग्री रेडियन) में मुड़ा हुआ होता है। परिणाम बताते हैं कि तांबे और एल्यूमीनियम पन्नी का तनाव उनकी उपज शक्ति से बहुत कम है, यह दर्शाता है कि इस विरूपण से प्लास्टिक विरूपण नहीं होगा। वर्तमान धातु संग्राहक अपरिवर्तनीय क्षति से बच सकता है।
चित्रा 2 बी तनाव वितरण को दर्शाता है जब झुकने की डिग्री और बढ़ जाती है, और तांबे की पन्नी और एल्यूमीनियम पन्नी का तनाव भी उनकी संबंधित उपज शक्ति से कम होता है। इसलिए, संरचना अच्छा स्थायित्व बनाए रखते हुए तह विरूपण का सामना कर सकती है। झुकने विरूपण के अलावा, सिस्टम एक निश्चित डिग्री विरूपण (चित्रा 2 सी) प्राप्त कर सकता है।
बेलनाकार इकाइयों वाली बैटरी के लिए, सर्कल की अंतर्निहित विशेषताओं के कारण, यह अधिक गंभीर और जटिल विरूपण प्राप्त कर सकता है। इसलिए, जब बैटरी को 180o (चित्र 2d, e) तक मोड़ा जाता है, मूल लंबाई (चित्र 140f) के लगभग 2% तक बढ़ाया जाता है, और 90o (चित्र 2g) तक घुमाया जाता है, तो यह यांत्रिक स्थिरता बनाए रख सकता है। इसके अलावा, जब झुकने + घुमा और घुमावदार विरूपण अलग-अलग लागू होते हैं, तो डिज़ाइन की गई एलआईबी संरचना विभिन्न गंभीर और जटिल विकृतियों के तहत वर्तमान धातु कलेक्टर के अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विरूपण का कारण नहीं बनती है।
चित्रा 2 (एसी) झुकने, तह, और घुमा के तहत एक वर्ग सेल के परिमित तत्व सिमुलेशन परिणाम; (डी) झुकने, मोड़ने, खींचने, घुमाने, झुकने + घुमाने और घुमाने के तहत एक बेलनाकार सेल के परिमित तत्व सिमुलेशन परिणाम।
3. वर्ग ऊर्जा भंडारण इकाई के लचीले एलआईबी का विद्युत रासायनिक प्रदर्शन
डिज़ाइन की गई लचीली बैटरी के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, LiCoO2 का उपयोग कैथोड सामग्री के रूप में निर्वहन क्षमता और चक्र स्थिरता का परीक्षण करने के लिए किया गया था। जैसा कि चित्र 3a में दिखाया गया है, वर्ग कोशिकाओं के साथ बैटरी की डिस्चार्ज क्षमता काफी कम नहीं होती है, जब विमान 1 सी आवर्धन पर मोड़, रिंग, फोल्ड और मुड़ने के लिए विकृत हो जाता है, जिसका अर्थ है कि यांत्रिक विरूपण के डिजाइन का कारण नहीं होगा इलेक्ट्रोकेमिकली होने वाली लचीली बैटरी प्रदर्शन गिरता है। गतिशील झुकने (चित्र 3c, d) और गतिशील मरोड़ (चित्र 3e, f) के बाद भी, और एक निश्चित संख्या में चक्रों के बाद, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्लेटफ़ॉर्म और लंबे-चक्र प्रदर्शन में कोई स्पष्ट परिवर्तन नहीं होता है, जिसका अर्थ है कि आंतरिक संरचना बैटरी अच्छी तरह से सुरक्षित है।
चित्रा 3 (ए) 1 सी के तहत स्क्वायर यूनिट बैटरी का चार्ज और डिस्चार्ज टेस्ट; (बी) विभिन्न परिस्थितियों में चार्ज और डिस्चार्ज वक्र; (सी, डी) गतिशील झुकने, बैटरी चक्र प्रदर्शन और संबंधित चार्ज और डिस्चार्ज वक्र के तहत; (ई, एफ) गतिशील मरोड़ के तहत, बैटरी का चक्र प्रदर्शन और विभिन्न चक्रों के तहत संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज वक्र।
4. बेलनाकार ऊर्जा भंडारण इकाई के लचीले एलआईबी का विद्युत रासायनिक प्रदर्शन
सिमुलेशन विश्लेषण के परिणाम बताते हैं कि सर्कल की अंतर्निहित विशेषताओं के लिए धन्यवाद, बेलनाकार तत्वों वाले लचीले एलआईबी अधिक चरम और जटिल विकृतियों का सामना कर सकते हैं। इसलिए, बेलनाकार इकाई के लचीले एलआईबी के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को प्रदर्शित करने के लिए, परीक्षण 1 सी की दर से किया गया था, जिससे पता चला कि जब बैटरी विभिन्न विकृतियों से गुजरती है, तो विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में लगभग कोई बदलाव नहीं होता है। विरूपण के कारण वोल्टेज वक्र नहीं बदलेगा (चित्र 4ए, बी)।
बेलनाकार बैटरी की विद्युत रासायनिक स्थिरता और यांत्रिक स्थायित्व का और अधिक मूल्यांकन करने के लिए, इसने बैटरी को 1 सी की दर से एक गतिशील स्वचालित लोड परीक्षण के अधीन किया। अनुसंधान से पता चलता है कि गतिशील खींचने के बाद (चित्र 4c, d), गतिशील मरोड़ (चित्र 4e, f) , और गतिशील झुकने + मरोड़ (चित्रा 4 जी, एच), बैटरी चार्ज-डिस्चार्ज चक्र प्रदर्शन और संबंधित वोल्टेज वक्र प्रभावित नहीं होते हैं। चित्र 4i एक रंगीन ऊर्जा भंडारण इकाई वाली बैटरी के प्रदर्शन को दर्शाता है। डिस्चार्ज क्षमता 133.3 mAm g-1 से 129.9 mAh g-1 हो जाती है, और प्रति चक्र क्षमता हानि केवल 0.04% है, यह दर्शाता है कि विरूपण इसकी चक्र स्थिरता और निर्वहन क्षमता को प्रभावित नहीं करेगा।
चित्रा 4 (ए) 1 सी पर बेलनाकार कोशिकाओं के विभिन्न विन्यासों का चार्ज और डिस्चार्ज चक्र परीक्षण; (बी) विभिन्न परिस्थितियों में बैटरी के अनुरूप चार्ज और डिस्चार्ज वक्र; (सी, डी) गतिशील तनाव निर्वहन वक्र के तहत साइकिल का प्रदर्शन और बैटरी का चार्ज; (ई, एफ) गतिशील मरोड़ के तहत बैटरी का चक्र प्रदर्शन और विभिन्न चक्रों के तहत संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज वक्र; (जी, एच) गतिशील झुकने + मरोड़ और विभिन्न चक्रों के तहत संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज वक्र के तहत बैटरी का चक्र प्रदर्शन; (I) 1 सी पर विभिन्न विन्यास के साथ प्रिज्मीय यूनिट बैटरी का चार्ज और डिस्चार्ज टेस्ट।
5. लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों का अनुप्रयोग
व्यवहार में विकसित लचीली बैटरी के अनुप्रयोग का मूल्यांकन करने के लिए, लेखक कुछ वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों, जैसे इयरफ़ोन, स्मार्टवॉच, मिनी इलेक्ट्रिक पंखे, कॉस्मेटिक उपकरण और स्मार्ट फोन को पावर देने के लिए विभिन्न प्रकार की ऊर्जा भंडारण इकाइयों के साथ पूर्ण बैटरी का उपयोग करता है। दोनों रोजमर्रा के उपयोग के लिए पर्याप्त हैं, विभिन्न लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की अनुप्रयोग क्षमता को पूरी तरह से जोड़ते हैं।
चित्र 5 डिज़ाइन की गई बैटरी को इयरफ़ोन, स्मार्टवॉच, मिनी इलेक्ट्रिक पंखे, कॉस्मेटिक उपकरण और स्मार्टफ़ोन पर लागू करता है। लचीली बैटरी (ए) इयरफ़ोन, (बी) स्मार्टवॉच, और (सी) मिनी इलेक्ट्रिक प्रशंसकों के लिए बिजली की आपूर्ति करती है; (डी) कॉस्मेटिक उपकरणों के लिए बिजली की आपूर्ति करता है; (ई) विभिन्न विरूपण स्थितियों के तहत, लचीली बैटरी स्मार्टफोन के लिए बिजली की आपूर्ति करती है।
सारांश और दृष्टिकोण
संक्षेप में, यह लेख मानव जोड़ों की संरचना से प्रेरित है। यह उच्च ऊर्जा घनत्व, बहु विकृति, और स्थायित्व के साथ एक लचीली बैटरी के निर्माण के लिए एक अनूठी डिजाइन पद्धति का प्रस्ताव करता है। पारंपरिक लचीले एलआईबी की तुलना में, यह नया डिजाइन वर्तमान धातु कलेक्टर के प्लास्टिक विरूपण से प्रभावी ढंग से बच सकता है। साथ ही, इस पेपर में डिज़ाइन की गई ऊर्जा भंडारण इकाई के दोनों सिरों पर आरक्षित घुमावदार सतहें परस्पर जुड़े घटकों के स्थानीय तनाव को प्रभावी ढंग से दूर कर सकती हैं। इसके अलावा, विभिन्न घुमावदार विधियां बैटरी को पर्याप्त विकृति प्रदान करते हुए, स्टैक के आकार को बदल सकती हैं। लचीली बैटरी उपन्यास डिजाइन के लिए उत्कृष्ट चक्र स्थिरता और यांत्रिक स्थायित्व का प्रदर्शन करती है और विभिन्न लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं।
साहित्य लिंक
बेंडेबल / फोल्डेबल / स्ट्रेचेबल / ट्विस्टेबल बैटरी के लिए मानव संयुक्त-प्रेरित संरचनात्मक डिजाइन: कई विकृति प्राप्त करना। (एनर्जी एनकाउंटर। विज्ञान।, 2021, डीओआई: 10.1039/D1EE00480H)
