Hong Kong CityU EES：人間の関節に触発された柔軟なリチウムイオン電池

研究の背景

電子製品に対する需要の高まりは、近年、柔軟で高エネルギー密度のストレージデバイスの急速な開発を促進しています。 柔軟なリチウムイオン電池 高いエネルギー密度と安定した電気化学的性能を備えた（LIB）は、ウェアラブル電子製品にとって最も有望なバッテリー技術と見なされています。 薄膜電極とポリマーベースの電極を使用すると、LIBの柔軟性が劇的に向上しますが、次の問題があります。

（1）ほとんどのフレキシブルバッテリーは「負極-セパレーター-正極」によって積み重ねられ、それらの限られた変形性と多層スタック間の滑りがLIBの全体的な性能を制限します。

（2）折り畳み、引き伸ばし、巻き取り、複雑な変形などのより厳しい条件下では、バッテリーの性能を保証できません。

（3）設計戦略の一部は、現在の金属コレクターの変形を無視します。

したがって、そのわずかな曲げ角度、複数の変形モード、優れた機械的耐久性、および高エネルギー密度を同時に達成することは、依然として多くの課題に直面しています。

概要

最近、香港城市大学のChunyiZhi教授とCuipingHan博士は、Energy Environに関する「曲げ可能/折りたたみ可能/伸縮可能/ねじれ可能なバッテリーの人間の関節に触発された構造設計：複数の変形性の達成」というタイトルの論文を発表しました。 科学この作品は、人間の関節の構造に触発され、関節システムに似た一種の柔軟なLIBを設計しました。 この斬新なデザインに基づいて、準備された柔軟なバッテリーは、高いエネルギー密度を達成し、180°で曲げたり折りたたんだりすることができます。 同時に、さまざまな巻き方で構造構造を変更できるため、柔軟なLIBは豊富な変形能力を持ち、より過酷で複雑な変形（巻き取りやねじれ）にも適用でき、さらに伸ばすことができ、その変形能力は柔軟なLIBに関する以前の報告をはるかに超えています。 有限要素シミュレーション分析により、この論文で設計されたバッテリーは、さまざまな過酷で複雑な変形の下で、現在の金属コレクターの不可逆的な塑性変形を受けないことが確認されました。 同時に、組み立てられた正方形のユニットバッテリーは、最大371.9 Wh / Lのエネルギー密度を達成できます。これは、従来のソフトパックバッテリーの92.9％です。 また、200,000万回以上の動的曲げと25,000回以上の動的歪みの後でも安定したサイクル性能を維持できます。

さらなる研究は、組み立てられた円筒形のユニットセルがより深刻で複雑な変形に耐えることができることを示しています。 100,000を超える動的ストレッチ、20,000のねじれ、および100,000の曲げ変形の後でも、88％を超える高い容量（保持率）を達成できます。 したがって、この論文で提案されている柔軟なLIBは、ウェアラブル電子機器の実用的なアプリケーションに大きな展望を提供します。

研究ハイライト

1）人間の関節に触発された柔軟なLIBは、曲げ、ねじれ、伸び、および巻き付けの変形の下で安定したサイクル性能を維持できます。

（2）正方形のフレキシブルバッテリーを使用すると、最大371.9 Wh / Lのエネルギー密度を達成できます。これは、従来のソフトパックバッテリーの92.9％です。

（3）巻き方が異なると、バッテリースタックの形状が変化し、バッテリーに十分な変形能を与えることができます。

グラフィックガイド

研究によると、大量のエネルギー密度とより複雑な変形を保証することに加えて、構造設計では、集電体の塑性変形も回避する必要があります。 有限要素シミュレーションは、集電体の最良の方法は、集電体の塑性変形と不可逆的な損傷を回避するために、曲げプロセス中に集電体の曲げ半径が小さくなるのを防ぐことであることを示しています。

図1aは、人間の関節の構造を示しています。巧妙に大きな曲面の設計により、関節がスムーズに回転します。 これに基づいて、図1bは、典型的なグラファイトアノード/ダイヤフラム/コバルト酸リチウム（LCO）アノードを示しています。これは、正方形の厚いスタック構造に巻くことができます。 ジャンクションでは、1つの厚いリジッドスタックとフレキシブルパーツで構成されています。 さらに重要なことに、厚いスタックは関節の骨カバーと同等の曲面を持っており、圧力を緩衝し、フレキシブルバッテリーの一次容量を提供します。 弾性部分は靭帯として機能し、厚いスタックを接続し、柔軟性を提供します（図1c）。 四角い山に巻くだけでなく、巻く方法を変えることで円筒形や三角の電池を作ることもできます（図1d）。 正方形のエネルギー貯蔵ユニットを備えたフレキシブルLIBの場合、相互接続されたセグメントは、曲げプロセス中に厚いスタックの円弧状の表面に沿って回転し（図1e）、それによってフレキシブルバッテリーのエネルギー密度が大幅に増加します。 さらに、弾性ポリマーのカプセル化により、円筒形ユニットを備えた柔軟なLIBは、伸縮性と柔軟性のある特性を実現できます（図XNUMXf）。

図1（a）柔軟性を実現するには、独自の靭帯接続と曲面の設計が不可欠です。 （b）柔軟なバッテリー構造と製造プロセスの概略図。 （c）骨はより厚い電極スタックに対応し、靭帯は展開されたものに対応します（D）円筒形および三角形のセルを備えた柔軟なバッテリー構造。 （e）正方形セルの積層概略図。 （f）円筒状セルの伸縮変形。

機械的シミュレーション分析をさらに使用すると、フレキシブルバッテリー構造の安定性が確認されました。 図2aは、シリンダー（ラジアン180°）に曲げたときの銅箔とアルミ箔の応力分布を示しています。 結果は、銅とアルミホイルの応力がそれらの降伏強度よりもはるかに低いことを示しており、この変形が塑性変形を引き起こさないことを示しています。 現在の金属コレクターは、不可逆的な損傷を回避できます。

図2bは、曲げの程度をさらに大きくした場合の応力分布を示しています。銅箔とアルミニウム箔の応力も、対応する降伏強度よりも小さくなっています。 したがって、構造は、良好な耐久性を維持しながら、折り畳み変形に耐えることができます。 曲げ変形に加えて、システムはある程度の歪みを実現できます（図2c）。

円筒形のユニットを備えたバッテリーの場合、円の固有の特性により、より深刻で複雑な変形を実現できます。 したがって、バッテリーを180°に折りたたんで（図2d、e）、元の長さの約140％に伸ばし（図2f）、90°にねじると（図2g）、機械的安定性を維持できます。 さらに、曲げ+ねじりおよび巻線変形が別々に適用される場合、設計されたLIB構造は、さまざまな重度の複雑な変形の下で現在の金属コレクターの不可逆的な塑性変形を引き起こしません。

図2（ac）曲げ、折り畳み、およびねじれの下での正方形セルの有限要素シミュレーション結果。 （di）曲げ、折り畳み、伸長、ねじり、曲げ+ねじり、および巻き取りの下での円筒形セルの有限要素シミュレーション結果。

設計されたフレキシブルバッテリーの電気化学的性能を評価するために、LiCoO2をカソード材料として使用して、放電容量とサイクル安定性をテストしました。 図3aに示すように、正方形のセルを備えたバッテリーの放電容量は、平面が1 Cの倍率で曲がったり、輪になったり、折りたたまれたり、ねじれたりした後でも大幅に低下することはありません。つまり、機械的な変形によって、電気化学的に性能が低下するフレキシブルバッテリー。 動的曲げ（図3c、d）と動的ねじれ（図3e、f）の後でも、一定のサイクル数の後でも、充電および放電プラットフォームと長サイクル性能に明らかな変化はありません。つまり、バッテリーは十分に保護されています。

図3（a）1Cでの正方形ユニットバッテリーの充電および放電テスト。 （b）異なる条件下での充電および放電曲線。 （c、d）動的曲げ、バッテリーサイクル性能、および対応する充電および放電曲線の下。 （e、f）動的ねじれの下で、バッテリーのサイクル性能と、異なるサイクルでの対応する充放電曲線。

シミュレーション分析の結果は、円の固有の特性のおかげで、円筒形要素を備えた柔軟なLIBがより極端で複雑な変形に耐えることができることを示しています。 したがって、円筒形ユニットのフレキシブルLIBの電気化学的性能を実証するために、1 Cの速度でテストを実行しました。これは、バッテリーがさまざまな変形を受けても、電気化学的性能にほとんど変化がないことを示しています。 変形によって電圧曲線が変化することはありません（図4a、b）。

円筒形電池の電気化学的安定性と機械的耐久性をさらに評価するために、電池を1 Cの速度で動的自動負荷テストにかけました。研究によると、動的伸縮（図4c、d）、動的ねじれ（図4e、f）の後、および動的曲げ+ねじれ（図4g、h）、バッテリーの充放電サイクル性能および対応する電圧曲線は影響を受けません。 図4iは、カラフルなエネルギー貯蔵ユニットを備えたバッテリーの性能を示しています。 放電容量は133.3mAmg-1から129.9mAh g-1に減衰し、サイクルあたりの容量損失はわずか0.04％であり、変形がサイクルの安定性と放電容量に影響を与えないことを示しています。

図4（a）1Cでの円筒形セルのさまざまな構成の充電および放電サイクルテスト。 （b）さまざまな条件下でのバッテリーの対応する充電曲線と放電曲線。 （c、d）動的張力下でのバッテリーのサイクル性能と充電放電曲線。 （e、f）動的ねじれ下でのバッテリーのサイクル性能および異なるサイクル下での対応する充放電曲線。 （g、h）動的曲げ+ねじれ下でのバッテリーのサイクル性能と、異なるサイクル下での対応する充放電曲線。 （I）1Cでの異なる構成のプリズム型ユニットバッテリーの充電および放電テスト。

開発したフレキシブルバッテリーの実際の用途を評価するために、著者は、イヤホン、スマートウォッチ、ミニ電動ファン、化粧品、スマートフォンなどの一部の商用電子製品に電力を供給するために、さまざまなタイプのエネルギー貯蔵ユニットを備えたフルバッテリーを使用します。 どちらも日常の使用に十分であり、さまざまな柔軟でウェアラブルな電子製品のアプリケーションの可能性を完全に具現化しています。

図5は、設計されたバッテリーをイヤホン、スマートウォッチ、ミニ扇風機、化粧品機器、およびスマートフォンに適用しています。 フレキシブルバッテリーは、（a）イヤホン、（b）スマートウォッチ、および（c）ミニ扇風機に電力を供給します。 （d）化粧品機器に電力を供給します。 （e）さまざまな変形条件下で、フレキシブルバッテリーはスマートフォンに電力を供給します。

まとめと展望

要約すると、この記事は人間の関節の構造に触発されています。 高エネルギー密度、多重変形性、耐久性を備えたフレキシブルバッテリーを製造するための独自の設計手法を提案します。 従来のフレキシブルLIBと比較して、この新しい設計は、現在の金属コレクターの塑性変形を効果的に回避できます。 同時に、この論文で設計されたエネルギー貯蔵ユニットの両端に予約された曲面は、相互接続されたコンポーネントの局所的な応力を効果的に緩和することができます。 さらに、さまざまな巻き方でスタックの形状を変えることができ、バッテリーに十分な変形能を与えます。 フレキシブルバッテリーは、斬新なデザインのおかげで優れたサイクル安定性と機械的耐久性を示し、さまざまなフレキシブルでウェアラブルな電子製品に幅広い用途が見込まれます。

文学リンク

曲げることができる/折りたたむことができる/伸ばすことができる/ねじれるバッテリーのための人間の関節に触発された構造設計：複数の変形能を達成します。 （（エネルギー環境。 サイエンス。、2021、DOI：10.1039 / D1EE00480H）