هانگ ڪانگ CityU EES: لچڪدار ليٿيم آئن بيٽري انساني جوڑوں کان متاثر

تحقيقي پسمنظر

اليڪٽرانڪ شين جي وڌندڙ مطالبن کي تازو سالن ۾ لچڪدار ۽ اعلي توانائي جي کثافت اسٽوريج ڊوائيسز جي تيز ترقي کي وڌايو آهي. لچڪدار ليتيم آئن بيٽريون (LIBs) سان گڏ اعلي توانائي جي کثافت ۽ مستحڪم اليڪٽرڪ ڪيميڪل ڪارڪردگي سمجهيا وڃن ٿا سڀ کان وڌيڪ واعدو ڪندڙ بيٽري ٽيڪنالاجي پائڻ لائق اليڪٽرانڪ شين لاءِ. جيتوڻيڪ پتلي-فلم اليڪٽرروڊس ۽ پوليمر تي ٻڌل اليڪٽروڊس جو استعمال ڊرامائي طور تي LIBs جي لچڪ کي بهتر بڻائي ٿو، هيٺيان مسئلا آهن:

(1) گهڻيون لچڪدار بيٽريون ”منفي اليڪٽرروڊ-سيپريٽر-مثبت اليڪٽرروڊ“ ذريعي اسٽيڪ ٿيل آهن ۽ انهن جي محدود خرابي ۽ ملٽي ليئر اسٽيڪ جي وچ ۾ سلپج LIBs جي مجموعي ڪارڪردگي کي محدود ڪري ٿي؛

(2) ڪجھ وڌيڪ سخت حالتن جي تحت، جهڙوڪ فولڊنگ، اسٽريچنگ، وائنڊنگ، ۽ پيچيده خرابي، اهو بيٽري جي ڪارڪردگي جي ضمانت نٿو ڏئي سگهي.

(3) ڊيزائن جي حڪمت عملي جو حصو موجوده ڌاتو ڪليڪٽر جي خرابي کي نظر انداز ڪري ٿو.

تنهن ڪري، هڪ ئي وقت ۾ ان جي معمولي موڙيندڙ زاويه حاصل ڪرڻ، ڪيترن ئي خرابين جي طريقن، اعلي ميڪيڪل پائيدارگي، ۽ اعلي توانائي جي کثافت اڃا تائين ڪيترن ئي چئلينج کي منهن ڏئي ٿو.

تعارف

تازو، هانگ ڪانگ جي سٽي يونيورسٽي جي پروفيسر چوني زي ۽ ڊاڪٽر ڪيوپنگ هان هڪ مقالو شايع ڪيو جنهن جو عنوان آهي "انساني گڏيل انسپيائرڊ structural design for bendable/foldable/stretchable/twistable battery: acchiving many deformability" انرجي ماحول تي. سائنس اهو ڪم انساني جوڑوں جي ساخت کان متاثر ٿيو ۽ گڏيل سسٽم وانگر لچڪدار LIBs جو هڪ قسم ٺاهيو ويو. هن ناول جي ڊيزائن جي بنياد تي، تيار ڪيل، لچڪدار بيٽري اعلي توانائي جي کثافت حاصل ڪري سگهي ٿي ۽ 180 ° تي مڙي يا اڃا به فولڊ ٿي سگهي ٿي. ساڳي ئي وقت، ساخت جي جوڙجڪ کي مختلف وائننگ طريقن سان تبديل ڪري سگهجي ٿو ته جيئن لچڪدار LIBs ۾ وڏي خرابي جي صلاحيت هوندي آهي، وڌيڪ سخت ۽ پيچيده خرابين تي لاڳو ڪري سگهجي ٿو (وائنڊنگ ۽ موڙيندڙ)، ۽ اڃا تائين وڌايو وڃي ٿو، ۽ انهن جي خراب ٿيڻ جي صلاحيت آهي. لچڪدار LIBs جي پوئين رپورٽن کان پري. محدود عنصر سموليشن تجزيي جي تصديق ڪئي وئي آهي ته هن پيپر ۾ ٺهيل بيٽري مختلف سخت ۽ پيچيده خرابين جي تحت موجوده دھاتي ڪليڪٽر جي ناقابل واپسي پلاسٽڪ جي خرابي کي ختم نه ڪندي. ساڳئي وقت، گڏ ڪيل چورس يونٽ جي بيٽري 371.9 Wh/L تائين توانائي جي کثافت حاصل ڪري سگهي ٿي، جيڪا روايتي نرم پيڪ بيٽري جو 92.9٪ آهي. ان کان علاوه، اهو 200,000 ڀيرا متحرڪ موڙيندڙ ۽ 25,000 ڀيرا متحرڪ تحريف کان پوءِ به مستحڪم چڪر ڪارڪردگي برقرار رکي سگهي ٿو.

وڌيڪ تحقيق ڏيکاري ٿي ته گڏ ڪيل سلنڈر يونٽ سيل وڌيڪ سخت ۽ پيچيده خرابين کي برداشت ڪري سگهي ٿو. 100,000 کان وڌيڪ متحرڪ ڇڪڻ، 20,000 موڙ، ۽ 100,000 موڙيندڙ خرابين کان پوء، اهو اڃا تائين 88٪ کان وڌيڪ برقرار رکڻ جي شرح جي اعلي صلاحيت حاصل ڪري سگهي ٿو. تنهن ڪري، هن مقالي ۾ تجويز ڪيل لچڪدار LIBs هڪ وسيع امڪان فراهم ڪري ٿي عملي ايپليڪيشنن لاءِ wearable اليڪٽرانڪس ۾.

تحقيقات جي نمايان

1) لچڪدار LIBs، انساني جوڑوں کان متاثر ٿي، موڙيندڙ، موڙيندڙ، ڇڪڻ، ۽ وائنڊنگ جي خرابين جي تحت مستحڪم چڪر ڪارڪردگي برقرار رکي سگھن ٿا؛

(2) چورس لچڪدار بيٽري سان، اها 371.9 Wh/L تائين توانائي جي کثافت حاصل ڪري سگهي ٿي، جيڪا روايتي نرم-پيڪ بيٽري جو 92.9٪ آهي؛

(3) مختلف وائننگ طريقا بيٽري اسٽيڪ جي شڪل کي تبديل ڪري سگھن ٿا ۽ بيٽري کي ڪافي خرابي ڏئي سگھن ٿا.

گرافڪ گائيڊ

تحقيق ڏيکاريو ويو آهي ته، اعلي مقدار جي توانائي جي کثافت ۽ وڌيڪ پيچيده خرابي کي يقيني بڻائڻ کان علاوه، ساخت جي جوڙجڪ کي موجوده ڪليڪٽر جي پلاسٽڪ جي خرابي کان بچڻ گهرجي. محدود عنصر سموليشن ڏيکاري ٿو ته موجوده ڪليڪٽر جو بهترين طريقو اهو هجڻ گهرجي ته موجوده ڪليڪٽر کي موڙيندڙ عمل دوران ننڍڙو موڙيندڙ ريڊيس ٿيڻ کان روڪيو وڃي ته جيئن پلاسٽڪ جي خرابي ۽ موجوده ڪليڪٽر جي ناقابل واپسي نقصان کان بچڻ لاء.

شڪل 1a انساني جوڑوں جي ساخت کي ڏيکاري ٿو، جنهن ۾ چستيءَ سان وڏي وکر ٿيل مٿاڇري جي جوڙجڪ جوڑوں کي آسانيءَ سان گھمڻ ۾ مدد ڪري ٿي. هن جي بنياد تي، شڪل 1b ڏيکاري ٿو هڪ عام گرافائٽ انوڊ/ڊافراگم/ليٿيم ڪوبالٽٽ (LCO) انوڊ، جيڪو زخم ٿي سگهي ٿو چورس موٽي اسٽيڪ جي جوڙجڪ ۾. سنگم تي، اهو ٻن ٿلهي سخت اسٽيڪ ۽ هڪ لچڪدار حصو تي مشتمل آهي. وڌيڪ اهم طور تي، ٿلهي اسٽيڪ ۾ گڏيل هڏن جي ڍڪ جي برابر هڪ وکر مٿاڇري آهي، جيڪا بفر جي دٻاء ۾ مدد ڪري ٿي ۽ لچڪدار بيٽري جي بنيادي صلاحيت فراهم ڪري ٿي. لچڪدار حصو هڪ لئگيمينٽ طور ڪم ڪري ٿو، ڳنڍي ٿو ڳنڍي ڳنڍي ۽ لچڪ فراهم ڪري ٿي (شڪل 1c). هڪ چورس پائل ۾ وائنڊنگ ڪرڻ کان علاوه، بيٽرين کي سلنڈر يا ٽڪنڊي گول سيلن سان پڻ وائنڊنگ جي طريقي کي تبديل ڪندي ٺاهي سگهجي ٿو (شڪل 1d). چورس انرجي اسٽوريج يونٽن سان لچڪدار LIBs لاءِ، پاڻ ۾ ڳنڍيل حصا موڙيندڙ اسٽيڪ جي آرڪ جي شڪل واري مٿاڇري سان موڙيندڙ عمل دوران رول ڪندا (Figure 1e)، ان ڪري لچڪدار بيٽري جي توانائي جي کثافت کي خاص طور تي وڌائيندو. ان کان علاوه، لچڪدار پوليمر انڪپسوليشن جي ذريعي، سلنڈر يونٽ سان لچڪدار LIBs وڌائي سگھندا ۽ لچڪدار ملڪيت حاصل ڪري سگھن ٿا (شڪل 1f).

شڪل 1 (a) لچڪ حاصل ڪرڻ لاءِ منفرد لئگامينٽ ڪنيڪشن ۽ مڙيل مٿاڇري جي ڊيزائن ضروري آهي. (b) لچڪدار بيٽري جي جوڙجڪ ۽ پيداوار جي عمل جو اسڪيمي ڊاگرام؛ (c) هڏا ٿلهي اليڪٽرروڊ اسٽيڪ سان ملندڙ جلندڙ آهن، ۽ ليگامينٽ انرول ٿيل (D) لچڪدار بيٽري جي جوڙجڪ سان سلنڊريڪل ۽ ٽڪنڊي سيلز سان؛ (e) چورس سيلن جي اسڪيمي ڊاگرام کي اسٽيڪ ڪرڻ؛ (f) سلنڊرل سيلن جي خرابي کي وڌائڻ.

ميڪيڪل تخليق تجزيي جو وڌيڪ استعمال لچڪدار بيٽري جي جوڙجڪ جي استحڪام جي تصديق ڪئي. شڪل 2a ٽامي ۽ ايلومينيم ورق جي دٻاءُ جي ورق کي ڏيکاري ٿو جڏهن سلنڈر (180 ° ريڊين) ۾ مڙي ٿو. نتيجن مان ظاهر ٿئي ٿو ته ٽامي ۽ ايلومينيم ورق جو دٻاء انهن جي پيداوار جي طاقت کان گهڻو گهٽ آهي، اهو ظاهر ڪري ٿو ته هي خرابي پلاسٽڪ جي خرابي جو سبب نه ٿيندو. موجوده ڌاتو ڪليڪٽر ناقابل واپسي نقصان کان بچائي سگھي ٿو.

شڪل 2b دٻاءُ جي تقسيم کي ڏيکاري ٿو جڏهن موڙ جو درجو وڌيڪ وڌايو وڃي ٿو، ۽ تانبا ورق ۽ ايلومينيم ورق جو دٻاء پڻ انهن جي لاڳاپيل پيداوار جي طاقت کان گهٽ آهي. تنهن ڪري، جوڙجڪ سٺي استحڪام برقرار رکڻ دوران فولڊنگ جي خرابي کي برداشت ڪري سگهي ٿي. موڙيندڙ خرابي جي اضافي ۾، سسٽم هڪ خاص حد تائين تحريف حاصل ڪري سگهي ٿو (شڪل 2c).

cylindrical يونٽن سان بيٽرين لاء، دائري جي موروثي خاصيتن جي ڪري، ان کي وڌيڪ سخت ۽ پيچيده deformation حاصل ڪري سگهو ٿا. تنهن ڪري، جڏهن بيٽري کي 180o (Figure 2d، e) تي وڌو ويندو آهي، اصل ڊگھائي (Figure 140f) جي اٽڪل 2٪ تائين وڌايو ويندو آهي، ۽ 90o (Figure 2g) تائين موڙيو ويندو آهي، اهو ميڪيڪل استحڪام برقرار رکي سگهي ٿو. ان کان علاوه، جڏهن موڙيندڙ + موڙيندڙ ۽ وائنڊنگ اخترتون الڳ الڳ لاڳو ڪيون وينديون آهن، ڊزائين ڪيل LIBs جوڙجڪ مختلف سخت ۽ پيچيده خرابين جي تحت موجوده دھاتي ڪليڪٽر جي ناقابل واپسي پلاسٽڪ خرابي جو سبب نه بڻجندي.

شڪل 2 (ac) موڙيندڙ، فولڊنگ، ۽ موڙ هيٺان چورس سيل جا محدود عنصر تخليق جا نتيجا؛ (di) بينڊنگ، فولڊنگ، اسٽريچنگ، ٽوئسٽنگ، موڙيندڙ + موڙيندڙ ۽ وائنڊنگ تحت سلنڈر سيل جا محدود عنصر سموليشن جا نتيجا.

ڊزائين ڪيل لچڪدار بيٽري جي اليڪٽررو ڪيميڪل ڪارڪردگي جو جائزو وٺڻ لاءِ، LiCoO2 کي ڪيٿوڊ مواد طور استعمال ڪيو ويو ته جيئن ڊسچارج ظرفيت ۽ چڪر جي استحڪام کي جانچيو وڃي. جيئن تصوير 3a ۾ ڏيکاريل آهي، بيٽري جي ڊسچارج ظرفيت چورس سيلن واري بيٽري جي 1 سي ميگنيفڪيشن تي موڙ، رِنگ، فولڊ ۽ موڙي وڃڻ کان پوءِ خاص طور تي گهٽجي نه ٿي، جنهن جو مطلب آهي ته مشيني خرابي سبب نه ٿيندي لچڪدار بيٽري کي اليڪٽررو ڪيميڪل طور تي ڪارڪردگي جي گھٽتائي. جيتوڻيڪ متحرڪ موڙيندڙ (Figure 3c, d) ۽ dynamic torsion (Figure 3e, f) کان پوءِ، ۽ هڪ مخصوص تعداد جي چڪرن کان پوءِ، چارجنگ ۽ ڊسچارج پليٽ فارم ۽ ڊگھي چڪر جي ڪارڪردگيءَ ۾ ڪا به واضح تبديلي نه آهي، جنهن جو مطلب آهي ته اندروني ڍانچي. جي بيٽري چڱي طرح محفوظ آهي.

شڪل 3 (a) 1C تحت چورس يونٽ بيٽري جي چارج ۽ ڊسچارج ٽيسٽ؛ (b) مختلف حالتن هيٺ چارج ۽ خارج ڪرڻ وارو وکر؛ (c، d) متحرڪ موڙيندڙ، بيٽري جي چڪر جي ڪارڪردگي ۽ لاڳاپيل چارج ۽ خارج ٿيڻ واري وکر جي تحت؛ (e، f) متحرڪ torsion تحت، بيٽري جي چڪر جي ڪارڪردگي ۽ لاڳاپيل چارج-ڊسچارج وکر مختلف چڪر جي تحت.

تخليقي تجزيي جا نتيجا ظاهر ڪن ٿا ته دائري جي موروثي خاصيتن جي مهرباني، سلنڊر عناصر سان لچڪدار LIBs وڌيڪ انتهائي ۽ پيچيده خرابين کي برداشت ڪري سگھن ٿا. تنهن ڪري، سلنڈر يونٽ جي لچڪدار LIBs جي اليڪٽررو ڪيميڪل ڪارڪردگي کي ظاهر ڪرڻ لاء، امتحان 1 سي جي شرح تي ڪيو ويو، جنهن مان اهو ظاهر ٿئي ٿو ته جڏهن بيٽري مختلف خرابين کي ختم ڪري ٿي، اليڪٽرڪ ڪيميائي ڪارڪردگي ۾ تقريبا ڪا به تبديلي ناهي. خراب ٿيڻ سبب وولٹیج وکر کي تبديل نه ٿيندو (شڪل 4a، ب).

سلنڊريڪل بيٽري جي اليڪٽرڪ ڪيميڪل استحڪام ۽ مشيني استحڪام جو وڌيڪ جائزو وٺڻ لاءِ، هن بيٽري کي 1 C جي شرح تي متحرڪ خودڪار لوڊ ٽيسٽ جي تابع ڪيو. تحقيق ڏيکاري ٿي ته متحرڪ اسٽريچنگ کان پوءِ (Figure 4c، d)، متحرڪ تورشن (Figure 4e) ، ۽ متحرڪ موڙيندڙ + torsion (شڪل 4g، h)، بيٽري چارج-ڊسچارج چڪر ڪارڪردگي ۽ لاڳاپيل وولٹیج وکر متاثر نه ٿيندا آهن. شڪل 4i ڏيکاري ٿو بيٽري جي ڪارڪردگي رنگين توانائي اسٽوريج يونٽ سان. خارج ٿيڻ جي گنجائش 133.3 mAm g-1 کان 129.9 mAh g-1 تائين گھٽجي ٿي، ۽ في چڪر جي گنجائش جو نقصان صرف 0.04٪ آھي، اھو اشارو ڪري ٿو ته خراب ٿيڻ ان جي چڪر جي استحڪام ۽ خارج ٿيڻ جي صلاحيت کي متاثر نه ڪندي.

شڪل 4 (a) 1 C تي سلنڈر سيلن جي مختلف ترتيبن جي چارج ۽ ڊسچارج چڪر ٽيسٽ؛ (b) مختلف حالتن هيٺ بيٽري جي چارج ۽ ڊسچارج وکر؛ (c، d) سائيڪل جي ڪارڪردگي ۽ بيٽري جي چارج متحرڪ ٽينشن ڊسچارج وکر جي تحت؛ (e، f) بيٽري جي چڪر ڪارڪردگيءَ کي متحرڪ torsion تحت ۽ لاڳاپيل چارج-ڊسچارج وکر مختلف چڪرن تحت؛ (g, h) بيٽري جي چڪر ڪارڪردگيءَ جي هيٺان متحرڪ موڙيندڙ + torsion ۽ لاڳاپيل چارج-ڊسچارج وکر مختلف چڪرن تحت؛ (I) 1 C تي مختلف ترتيبن سان پرزميٽڪ يونٽ بيٽرين جي چارج ۽ ڊسچارج ٽيسٽ.

عملي طور تي ترقي يافته لچڪدار بيٽري جي ايپليڪيشن جو جائزو وٺڻ لاءِ، ليکڪ مختلف قسم جي انرجي اسٽوريج يونٽن سان مڪمل بيٽرين کي استعمال ڪري ٿو ڪجھ تجارتي اليڪٽرانڪ پراڊڪٽس، جهڙوڪ ائرفون، سمارٽ واچز، مني اليڪٽرڪ فين، کاسميٽڪ آلات، ۽ سمارٽ فونز کي طاقت ڏيڻ لاءِ. ٻئي روزمره جي استعمال لاءِ ڪافي آهن، مڪمل طور تي مختلف لچڪدار ۽ پائڻ لائق اليڪٽرانڪ پراڊڪٽس جي ايپليڪيشن جي صلاحيت کي جذب ڪن ٿا.

شڪل 5 ٺهيل بيٽري کي ائرفونز، سمارٽ واچز، مني اليڪٽرڪ فينز، سينگار جي سامان، ۽ اسمارٽ فونز تي لاڳو ڪري ٿي. لچڪدار بيٽري بجلي فراهم ڪري ٿي (الف) ائرفون، (ب) سمارٽ واچز، ۽ (سي) مني اليڪٽرڪ پنن؛ (d) کاسمیٹڪ سامان لاءِ بجلي جي فراهمي؛ (e) مختلف خراب حالتن جي تحت، لچڪدار بيٽري اسمارٽ فونز لاءِ طاقت فراهم ڪري ٿي.

خلاصو ۽ جائزو

تت ۾، هي مضمون انساني جوڑوں جي جوڙجڪ کان متاثر آهي. اهو هڪ منفرد ڊيزائن جو طريقو پيش ڪري ٿو هڪ لچڪدار بيٽري تيار ڪرڻ لاءِ اعلي توانائي جي کثافت، گهڻن خرابي، ۽ استحڪام سان. روايتي لچڪدار LIBs جي مقابلي ۾، هي نئون ڊزائين مؤثر طور تي موجوده ڌاتو ڪليڪٽر جي پلاسٽڪ جي خرابي کان بچائي سگھي ٿو. ساڳئي وقت، هن مقالي ۾ ٺهيل انرجي اسٽوريج يونٽ جي ٻنهي سرن تي محفوظ ڪيل مٿاڇريون مؤثر طريقي سان هڪٻئي سان ڳنڍيل اجزاء جي مقامي دٻاءَ کي دور ڪري سگهن ٿيون. ان کان علاوه، مختلف وائننگ طريقا اسٽيڪ جي شڪل کي تبديل ڪري سگھن ٿا، بيٽري کي ڪافي خرابي ڏئي ٿي. لچڪدار بيٽري شاندار سائيڪل جي استحڪام ۽ ميڪانياتي استحڪام جي نمائش ڪري ٿي ناول ڊيزائن جي مهرباني ۽ مختلف لچڪدار ۽ ڪپڙا پائيندڙ اليڪٽرانڪ شين ۾ وسيع ايپليڪيشن جا امڪان آهن.

ادبي لنڪ

موڙيندڙ / فولڊبل / اسٽريچبل / موڙيندڙ بيٽري لاءِ انساني گڏيل-حوصلہ افزائي ساختي ڊيزائن: ڪيترن ئي خرابي کي حاصل ڪرڻ. (توانائي ماحول. سائنس، 2021، DOI: 10.1039/D1EE00480H)