האָנג קאָנג סיטיו EES: פלעקסאַבאַל ליטהיום-יאָן באַטאַרייע ינספּייערד דורך מענטשלעך דזשוינץ

פאָרשונג הינטערגרונט

די ינקריסינג פאָדערונג פֿאַר עלעקטראָניש פּראָדוקטן האט פּראָמאָטעד די גיך אַנטוויקלונג פון פלעקסאַבאַל און הויך-ענערגיע געדיכטקייַט סטאָרידזש דעוויסעס אין די לעצטע יאָרן. פלעקסאַבאַל ליטהיום יאָן באַטעריז (LIBs) מיט הויך ענערגיע געדיכטקייַט און סטאַביל עלעקטראָטשעמיקאַל פאָרשטעלונג זענען געהאלטן די מערסט פּראַמאַסינג באַטאַרייע טעכנאָלאָגיע פֿאַר וועראַבאַל עלעקטראָניש פּראָדוקטן. כאָטש די נוצן פון דין-פילם ילעקטראָודז און פּאָלימער-באזירט ילעקטראָודז דראַמאַטיקלי ימפּרוווז די בייגיקייט פון ליב, עס זענען די פאלגענדע פּראָבלעמס:

(1) רובֿ פלעקסאַבאַל באַטעריז זענען סטאַקט דורך "נעגאַטיוו ילעקטראָוד-סעפּאַראַטאָר-positive ילעקטראָוד," און זייער לימיטעד דיפאָרמאַביליטי און סליפּידזש צווישן מולטילייַער סטאַקס באַגרענעצן די קוילעלדיק פאָרשטעלונג פון ליבס;

(2) אונטער עטלעכע מער שטרענג טנאָים, אַזאַ ווי פאָלדינג, סטרעטשינג, וויינדינג און קאָמפּלעקס דיפאָרמיישאַן, עס קען נישט גאַראַנטירן באַטאַרייע פאָרשטעלונג;

(3) טייל פון די פּלאַן סטראַטעגיע יגנאָרז די דיפאָרמיישאַן פון די קראַנט מעטאַל קאַלעקטער.

דעריבער, סיימאַלטייניאַסלי דערגרייכן זיין קליין בענדינג ווינקל, קייפל דיפאָרמיישאַן מאָדעס, העכער מעטשאַניקאַל געווער און הויך ענערגיע געדיכטקייַט נאָך פייסאַז פילע טשאַלאַנדזשיז.

הקדמה

לעצטנס, פּראָפעסאָר Chunyi Zhi און ד"ר קויפּינג האַן פון די סיטי אוניווערסיטעט פון האָנג קאָנג ארויס אַ פּאַפּיר ענטייטאַלד "מענטשלעך שלאָס ינספּייערד סטראַקטשעראַל פּלאַן פֿאַר בענדאַבאַל / פאָלדאַבלע / סטרעטטשאַבלע / טוויסטאַבלע באַטאַרייע: דערגרייכן קייפל דיפאָרמאַביליטי" אויף ענערגיע ענוויראָן. Sci. די אַרבעט איז ינספּייערד דורך די סטרוקטור פון מענטשלעך דזשוינץ און דיזיינד אַ מין פון פלעקסאַבאַל ליבס ענלעך צו די שלאָס סיסטעם. באַזירט אויף דעם ראָמאַן פּלאַן, די צוגעגרייט, פלעקסאַבאַל באַטאַרייע קענען דערגרייכן הויך ענערגיע געדיכטקייַט און זיין בענט אָדער אפילו פאָולדיד אין 180 °. אין דער זעלביקער צייט, די סטראַקטשעראַל סטרוקטור קענען זיין פארענדערט דורך פאַרשידענע וויינדינג מעטהאָדס אַזוי אַז פלעקסאַבאַל ליבס האָבן רייַך דיפאָרמיישאַן קייפּאַבילאַטיז, קענען זיין געווענדט צו מער שטרענג און קאָמפּליצירט דיפאָרמיישאַנז (וויינדינג און טוויסטינג), און קענען אפילו זיין אויסגעשטרעקט, און זייער דיפאָרמיישאַן קייפּאַבילאַטיז זענען ווייַט ווייַטער פון פרייַערדיק ריפּאָרץ פון פלעקסאַבאַל ליבס. פיניט עלעמענט סימיאַליישאַן אַנאַליסיס באשטעטיקט אַז די באַטאַרייע דיזיינד אין דעם פּאַפּיר וואָלט נישט אַנדערגאָו יריווערסאַבאַל פּלאַסטיק דיפאָרמיישאַן פון די קראַנט מעטאַל קאַלעקטער אונטער פאַרשידן האַרב און קאָמפּלעקס דיפאָרמיישאַנז. אין דער זעלביקער צייט, די אַסעמבאַלד קוואַדראַט אַפּאַראַט באַטאַרייע קענען דערגרייכן אַן ענערגיע געדיכטקייַט פון אַרויף צו 371.9 ווה / ל, וואָס איז 92.9% פון די טראדיציאנעלן ווייך פּאַק באַטאַרייע. אין אַדישאַן, עס קענען האַלטן אַ סטאַביל ציקל פאָרשטעלונג אפילו נאָך מער ווי 200,000 מאָל פון דינאַמיש בענדינג און 25,000 מאָל פון דינאַמיש דיסטאָרשאַן.

ווייַטער פאָרשונג ווייזט אַז די אַסעמבאַלד סילינדריקאַל אַפּאַראַט צעל קענען וויטסטאַנד מער שטרענג און קאָמפּליצירט דיפאָרמיישאַנז. נאָך מער ווי 100,000 דינאַמיש סטרעטשינג, 20,000 טוויסץ און 100,000 בענדינג דיפאָרמיישאַנז, עס קענען נאָך דערגרייכן אַ הויך קאַפּאַציטעט פון מער ווי 88% - ריטענשאַן קורס. דעריבער, די פלעקסאַבאַל LIBs פארגעלייגט אין דעם פּאַפּיר גיט אַ מאַסיוו פּראָספּעקט פֿאַר פּראַקטיש אַפּלאַקיישאַנז אין וועראַבאַל עלעקטראָניק.

פאָרשונג כיילייץ

1) Flexible LIBs, ינספּייערד דורך מענטשלעך דזשוינץ, קענען האַלטן סטאַביל ציקל פאָרשטעלונג אונטער בענדינג, טוויסטינג, סטרעטשינג און וויינדינג דיפאָרמיישאַנז;

(2) מיט אַ קוואַדראַט פלעקסאַבאַל באַטאַרייע, עס קענען דערגרייכן אַן ענערגיע געדיכטקייַט פון אַרויף צו 371.9 ווה / ל, וואָס איז 92.9% פון די טראדיציאנעלן ווייך-פּאַק באַטאַרייע;

(3) פאַרשידענע וויינדינג מעטהאָדס קענען טוישן די פאָרעם פון די באַטאַרייע אָנלייגן און געבן די באַטאַרייע גענוג דיפאָרמאַביליטי.

גראַפיק פירער

פאָרשונג האט געוויזן אַז אין אַדישאַן צו ינשורינג הויך באַנד ענערגיע געדיכטקייַט און מער קאָמפּליצירט דיפאָרמיישאַן, די סטראַקטשעראַל פּלאַן מוזן אויך ויסמיידן פּלאַסטיק דיפאָרמיישאַן פון די קראַנט קאַלעקטער. די סימיאַליישאַן פון ענדלעך עלעמענטן ווייזט אַז דער בעסטער מעטאָד פון די קראַנט קאַלעקטער זאָל זיין צו פאַרמייַדן די קראַנט קאַלעקטער פון אַ קליין בענדינג ראַדיוס בעשאַס די בענדינג פּראָצעס צו ויסמיידן פּלאַסטיק דיפאָרמיישאַן און יריווערסאַבאַל שעדיקן פון די קראַנט קאַלעקטער.

פיגורע 1אַ ווייזט די סטרוקטור פון די מענטשלעך דזשוינץ, אין וואָס די קלעווערלי גרעסערע קערווד ייבערפלאַך פּלאַן העלפּס די דזשוינץ צו דרייען סמודלי. באַזירט אויף דעם, פיגורע 1ב ווייזט אַ טיפּיש גראַפייט אַנאָוד / דייאַפראַם / ליטהיום קאָבאַלטאַטע (לקאָ) אַנאָוד, וואָס קענען זיין ווונד אין אַ קוואַדראַט דיק אָנלייגן סטרוקטור. אין די קנופּ, עס באשטייט פון צוויי דיק שטרענג סטאַקס און אַ פלעקסאַבאַל טייל. מער ימפּאָרטאַנטלי, די דיק אָנלייגן האט אַ קערווד ייבערפלאַך עקוויוואַלענט צו די שלאָס ביין דעקן, וואָס העלפּס באַפער דרוק און גיט די ערשטיק קאַפּאַציטעט פון די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע. די גומע טייל אקטן ווי אַ ליגאַמאַנט, קאַנעקטינג דיק סטאַקס און פּראַוויידינג בייגיקייַט (פיגורע 1 ק). אין אַדישאַן צו וויינדינג אין אַ קוואַדראַט הויפן, באַטעריז מיט סילינדריקאַל אָדער טרייאַנגגיאַלער סעלז קענען אויך זיין מאַניאַפאַקטשערד דורך טשאַנגינג די וויינדינג אופֿן (פיגורע 1 ד). פֿאַר פלעקסאַבאַל ליבס מיט קוואַדראַט ענערגיע סטאָרידזש וניץ, די ינטערקאַנעקטיד סעגמאַנץ וועט ראָולד צוזאמען די קרייַזבויגן-שייפּט ייבערפלאַך פון די דיק אָנלייגן בעשאַס די בענדינג פּראָצעס (פיגורע 1e), דערמיט ינקריסינג די ענערגיע געדיכטקייַט פון די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע באטייטיק. אין דערצו, דורך גומע פּאָלימער ענקאַפּסולאַטיאָן, פלעקסאַבאַל ליבס מיט סילינדריקאַל וניץ קענען דערגרייכן סטרעטטשאַבלע און פלעקסאַבאַל פּראָפּערטיעס (פיגורע 1f).

פיגורע 1 (אַ) דער פּלאַן פון יינציק ליגאַמאַנט קשר און קערווד ייבערפלאַך איז יקערדיק צו דערגרייכן בייגיקייַט; (ב) סכעמאַטיש דיאַגראַמע פון ​​פלעקסאַבאַל באַטאַרייע סטרוקטור און מאַנופאַקטורינג פּראָצעס; (C) ביין קאָראַספּאַנדז צו טיקער ילעקטראָוד אָנלייגן, און ליגאַמאַנט קאָראַספּאַנדז צו אַנראָולד (ד) פלעקסאַבאַל באַטאַרייע סטרוקטור מיט סילינדריקאַל און טרייאַנגגיאַלער סעלז; (E) סטאַקינג סכעמאַטיש דיאַגראַמע פון ​​קוואַדראַט סעלז; (f) סטרעטטשינג דיפאָרמיישאַן פון סילינדריקאַל סעלז.

ווייַטער נוצן פון מעטשאַניקאַל סימיאַליישאַן אַנאַליסיס באשטעטיקט די פעסטקייַט פון די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע סטרוקטור. פיגורע 2אַ ווייזט די דרוק פאַרשפּרייטונג פון קופּער און אַלומינום שטער ווען בענט אין אַ צילינדער (180 ° ראַדיאַן). די רעזולטאַטן ווייַזן אַז די דרוק פון קופּער און אַלומינום שטער איז פיל נידעריקער ווי זייער טראָגן שטאַרקייַט, וואָס ינדיקייץ אַז די דיפאָרמיישאַן וועט נישט פאַרשאַפן פּלאַסטיק דיפאָרמיישאַן. די קראַנט מעטאַל קאַלעקטער קענען ויסמיידן יריווערסאַבאַל שעדיקן.

פיגורע 2ב ווייזט די דרוק פאַרשפּרייטונג ווען דער גראַד פון בענדינג איז נאָך געוואקסן, און די דרוק פון קופּער שטער און אַלומינום שטער איז אויך ווייניקער ווי זייער קאָראַספּאַנדינג טראָגן שטאַרקייַט. דעריבער, די סטרוקטור קענען וויטסטאַנד פאָלדינג דיפאָרמיישאַן בשעת מיינטיינינג גוט געווער. אין דערצו צו בענדינג דיפאָרמיישאַן, די סיסטעם קענען דערגרייכן אַ זיכער גראַד פון דיסטאָרשאַן (פיגורע 2c).

פֿאַר באַטעריז מיט סילינדריקאַל וניץ, רעכט צו דער טאָכיק קעראַקטעריסטיקס פון דעם קרייַז, עס קענען דערגרייכן מער שטרענג און קאָמפּליצירט דיפאָרמיישאַן. דעריבער, ווען די באַטאַרייע איז פאָולדאַד צו 180אָ (פיגורע 2 ד, E), אויסגעשטרעקט צו וועגן 140% פון דער אָריגינעל לענג (פיגורע 2 פ), און טוויסטיד צו 90 אָ (פיגורע 2 ג), עס קענען טייַנען מעטשאַניקאַל פעסטקייַט. אין אַדישאַן, ווען בענדינג + טוויסטינג און וויינדינג דיפאָרמיישאַן זענען געווענדט סעפּעראַטלי, די דיזיינד LIB סטרוקטור וועט נישט פאַרשאַפן יריווערסאַבאַל פּלאַסטיק דיפאָרמיישאַן פון די קראַנט מעטאַל קאַלעקטער אונטער פאַרשידן שטרענג און קאָמפּלעקס דיפאָרמיישאַנז.

פיגורע 2 (אַק) ענדלעך עלעמענט סימיאַליישאַן רעזולטאַטן פון אַ קוואַדראַט צעל אונטער בענדינג, פאָלדינג, און טוויסטינג; (די) ענדלעך עלעמענט סימיאַליישאַן רעזולטאַטן פון אַ סילינדריקאַל צעל אונטער בענדינג, פאָלדינג, סטרעטשינג, טוויסטינג, בענדינג + טוויסטינג און וויינדינג.

צו אָפּשאַצן די עלעקטראָטשעמיקאַל פאָרשטעלונג פון די דיזיינד פלעקסאַבאַל באַטאַרייע, LiCoO2 איז געניצט ווי די קאַטאָוד מאַטעריאַל צו פּרובירן די אָפּזאָגן קאַפּאַציטעט און ציקל פעסטקייַט. ווי געוויזן אין פיגורע 3 אַ, די אָפּזאָגן קאַפּאַציטעט פון די באַטאַרייע מיט קוואַדראַט סעלז איז נישט באטייטיק רידוסט נאָך די פלאַך איז דיפאָרמד צו בייגן, רינג, פאָולדיד און טוויסטיד ביי 1 C מאַגנאַפאַקיישאַן, וואָס מיטל אַז די מעטשאַניקאַל דיפאָרמיישאַן וועט נישט פאַרשאַפן די פּלאַן פון די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע צו זייַן עלעקטראָטשעמיקלי פאָרשטעלונג טראפנס. אפילו נאָך דינאַמיש בענדינג (Figure 3c, d) און דינאַמיש טאָרסיאָן (Figure 3e, F), און נאָך אַ זיכער נומער פון סייקאַלז, די טשאַרדזשינג און דיסטשאַרדזשינג פּלאַטפאָרמע און לאַנג-ציקל פאָרשטעלונג האָבן קיין קלאָר ענדערונגען, וואָס מיטל אַז די ינערלעך סטרוקטור פון די באַטאַרייע איז געזונט פּראָטעקטעד.

פיגורע 3 (אַ) אָפּצאָל און אָפּזאָגן פּרובירן פון קוואַדראַט אַפּאַראַט באַטאַרייע אונטער 1 ק; (ב) אָפּצאָל און אָפּזאָגן ויסבייג אונטער פאַרשידענע באדינגונגען; (C, ד) אונטער דינאַמיש בענדינג, באַטאַרייע ציקל פאָרשטעלונג און קאָראַספּאַנדינג אָפּצאָל און אָפּזאָגן ויסבייג; (E, F) אונטער דינאַמיש טאָרסיאָן, די ציקל פאָרשטעלונג פון די באַטאַרייע און די קאָראַספּאַנדינג אָפּצאָל-אָפּזאָגן ויסבייג אונטער פאַרשידענע סייקאַלז.

די סימיאַליישאַן אַנאַליסיס רעזולטאַטן ווייַזן אַז דאַנק צו די טאָכיק קעראַקטעריסטיקס פון דעם קרייַז, די פלעקסאַבאַל ליבס מיט סילינדריקאַל עלעמענטן קענען וויטסטאַנד מער עקסטרעם און קאָמפּליצירט דיפאָרמיישאַנז. דעריבער, צו באַווייַזן די ילעקטראָוטשעמיקאַל פאָרשטעלונג פון די פלעקסאַבאַל ליבס פון די סילינדריקאַל אַפּאַראַט, די פּראָבע איז דורכגעקאָכט אין אַ קורס פון 1 C, וואָס געוויזן אַז ווען די באַטאַרייע אַנדערגאָוז פאַרשידן דיפאָרמיישאַנז, עס איז כּמעט קיין ענדערונג אין די עלעקטראָטשעמיקאַל פאָרשטעלונג. די דיפאָרמיישאַן וועט נישט פאַרשאַפן די וואָולטידזש ויסבייג צו טוישן (פיגורע 4 אַ, ב).

צו ווייַטער אָפּשאַצן די סילינדריקאַל באַטאַרייע ס עלעקטראָטשעמיקאַל פעסטקייַט און מעטשאַניקאַל געווער, עס אונטערטעניק די באַטאַרייע צו אַ דינאַמיש אָטאַמייטיד מאַסע פּרובירן מיט אַ קורס פון 1 C. פאָרשונג ווייזט אַז נאָך דינאַמיש סטרעטשינג (פיגורע 4 ק, ד), דינאַמיש טאָרסיאָן (פיגורע 4 ע, ו) , און דינאַמיש בענדינג + טאָרסיאָן (פיגורע 4ג, ה), די פאָרשטעלונג פון די באַטאַרייע אָפּצאָל-אָפּזאָגן ציקל און די קאָראַספּאַנדינג וואָולטידזש ויסבייג זענען נישט אַפעקטאַד. פיגורע 4י ווייזט די פאָרשטעלונג פון אַ באַטאַרייע מיט אַ פאַרביק ענערגיע סטאָרידזש אַפּאַראַט. די אָפּזאָגן קאַפּאַציטעט דיסיז פון 133.3 מאַה ג-1 צו 129.9 מאַה ג-1, און די קאַפּאַציטעט אָנווער פּער ציקל איז בלויז 0.04%, וואָס ינדיקייץ אַז דיפאָרמיישאַן וועט נישט ווירקן די פעסטקייַט און אָפּזאָגן קאַפּאַציטעט פון די ציקל.

פיגורע 4 (אַ) באַשולדיקונג און אָפּזאָגן ציקל פּרובירן פון פאַרשידענע קאַנפיגיעריישאַנז פון סילינדריקאַל סעלז אין 1 C; (ב) קאָראַספּאַנדינג אָפּצאָל און אָפּזאָגן קורוועס פון די באַטאַרייע אונטער פאַרשידענע באדינגונגען; (C, ד) ציקל פאָרשטעלונג און אָפּצאָל פון די באַטאַרייע אונטער דינאַמיש שפּאַנונג אָפּזאָגן ויסבייג; (E, F) די ציקל פאָרשטעלונג פון די באַטאַרייע אונטער דינאַמיש טאָרסיאָן און די קאָראַספּאַנדינג אָפּצאָל-אָפּזאָגן ויסבייג אונטער פאַרשידענע סייקאַלז; (ג, ה) די ציקל פאָרשטעלונג פון די באַטאַרייע אונטער דינאַמיש בענדינג + טאָרסיאָן און די קאָראַספּאַנדינג אָפּצאָל-אָפּזאָגן ויסבייג אונטער פאַרשידענע סייקאַלז; (איך) טשאַרדזשינג און אָפּזאָגן פּרובירן פון פּריסמאַטיק אַפּאַראַט באַטעריז מיט פאַרשידענע קאַנפיגיעריישאַנז ביי 1 C.

צו אָפּשאַצן די אַפּלאַקיישאַן פון די דעוועלאָפּעד פלעקסאַבאַל באַטאַרייע אין פיר, דער מחבר ניצט פול באַטעריז מיט פאַרשידענע טייפּס פון ענערגיע סטאָרידזש וניץ צו מאַכט עטלעכע געשעפט עלעקטראָניש פּראָדוקטן, אַזאַ ווי ירפאָונז, סמאַרטוואַטטשעס, מיני עלעקטריק פאַנס, קאָסמעטיק ינסטראַמאַנץ און סמאַרט פאָנעס. ביידע זענען גענוג פֿאַר וואָכעדיק נוצן, גאָר ימבאַדי די אַפּלאַקיישאַן פּאָטענציעל פון פאַרשידן פלעקסאַבאַל און וועראַבאַל עלעקטראָניש פּראָדוקטן.

פיגורע 5 אַפּלייז די דיזיינד באַטאַרייע פֿאַר ירפאָונז, סמאַרטוואַטטשעס, מיני עלעקטריק פאַנס, קאָסמעטיק ויסריכט און סמאַרטפאָנעס. די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע סאַפּלייז מאַכט פֿאַר (אַ) ירפאָונז, (ב) סמאַרטוואַטטשעס, און (C) מיני עלעקטריק פאַנס; (ד) סאַפּלייז מאַכט פֿאַר קאָסמעטיק ויסריכט; (e) אונטער פאַרשידענע דיפאָרמיישאַן טנאָים, די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע סאַפּלייז מאַכט פֿאַר סמאַרטפאָנעס.

קיצער און דערוואַרטונג

אין קיצער, דעם אַרטיקל איז ינספּייערד דורך די סטרוקטור פון מענטשלעך דזשוינץ. עס אָפפערס אַ יינציק פּלאַן אופֿן פֿאַר מאַנופאַקטורינג אַ פלעקסאַבאַל באַטאַרייע מיט הויך ענערגיע געדיכטקייַט, קייפל דיפאָרמאַביליטי און געווער. קאַמפּערד מיט טראדיציאנעלן פלעקסאַבאַל ליב, דעם נייַע פּלאַן קענען יפעקטיוולי ויסמיידן די פּלאַסטיק דיפאָרמיישאַן פון די קראַנט מעטאַל קאַלעקטער. אין דער זעלביקער צייט, די קערווד סערפאַסיז רעזערווירט אין ביידע ענדס פון די ענערגיע סטאָרידזש אַפּאַראַט דיזיינד אין דעם פּאַפּיר קענען יפעקטיוולי באַפרייַען די היגע דרוק פון די ינטערקאַנעקטיד קאַמפּאָונאַנץ. אין דערצו, פאַרשידענע וויינדינג מעטהאָדס קענען טוישן די פאָרעם פון די אָנלייגן, געבן די באַטאַרייע גענוג דיפאָרמאַביליטי. די פלעקסאַבאַל באַטאַרייע יגזיבאַץ ויסגעצייכנט ציקל פעסטקייַט און מעטשאַניקאַל געווער דאַנק צו די ראָמאַן פּלאַן און האט ברייט אַפּלאַקיישאַן פּראַספּעקס אין פאַרשידן פלעקסאַבאַל און וועראַבאַל עלעקטראָניש פּראָדוקטן.

ליטעראַטור לינק

מענטשלעך שלאָס-ינספּייערד סטראַקטשעראַל פּלאַן פֿאַר בענדאַבאַל / פאָלדאַבלע / סטרעטטשאַבלע / טוויסטאַבאַל באַטאַרייע: דערגרייכן קייפל דיפאָרמאַביליטי. (ענערגיע ענוויראָן. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)