የሆንግ ኮንግ ከተማ ዩ ኢኢኤስ፡ ተለዋዋጭ ሊቲየም-አዮን ባትሪ በሰዎች መገጣጠም አነሳሽነት

ምርምር ዳራ

እየጨመረ ያለው የኤሌክትሮኒካዊ ምርቶች ፍላጎት በቅርብ ዓመታት ውስጥ ተለዋዋጭ እና ከፍተኛ-ኃይል-ጥቅጥቅ ያሉ የማከማቻ መሳሪያዎችን ፈጣን እድገት አሳይቷል. ተለዋዋጭ የሊቲየም ion ባትሪዎች (LIBs) ከፍተኛ የሃይል ጥግግት እና የተረጋጋ ኤሌክትሮኬሚካላዊ አፈጻጸም ተለባሽ የኤሌክትሮኒክስ ምርቶች በጣም ተስፋ ሰጪ የባትሪ ቴክኖሎጂ ተደርገው ይወሰዳሉ። ምንም እንኳን ቀጭን-ፊልም ኤሌክትሮዶች እና ፖሊመር-ተኮር ኤሌክትሮዶችን መጠቀም የኤልቢቢዎችን ተለዋዋጭነት በሚያስደንቅ ሁኔታ የሚያሻሽል ቢሆንም, የሚከተሉት ችግሮች አሉ.

(1) አብዛኞቹ ተጣጣፊ ባትሪዎች "በአሉታዊ ኤሌክትሮድ-መለያ-አዎንታዊ ኤሌክትሮድ" የተደረደሩ ናቸው, እና የእነሱ ውሱን የአካል ጉዳተኝነት እና ባለብዙ ሽፋን ቁልል መንሸራተት የኤልቢቢዎችን አጠቃላይ አፈፃፀም ይገድባል;

(2) እንደ ማጠፍ፣ መወጠር፣ መጠምዘዝ እና ውስብስብ መበላሸት ባሉ አንዳንድ ይበልጥ ከባድ ሁኔታዎች የባትሪውን አፈጻጸም ማረጋገጥ አይችልም።

(3) የንድፍ ስልቱ አካል የአሁኑን የብረት ሰብሳቢውን መበላሸትን ችላ ይለዋል.

ስለዚህ፣ በተመሳሳይ ጊዜ ትንሽ የመታጠፍ አንግል፣ በርካታ የተበላሹ ሁነታዎች፣ የላቀ የሜካኒካል ጥንካሬ እና ከፍተኛ የሃይል ጥንካሬ ማሳካት አሁንም ብዙ ፈተናዎች ይገጥሙታል።

መግቢያ

በቅርቡ፣ በሆንግ ኮንግ ከተማ ዩኒቨርሲቲ ፕሮፌሰር ቹኒ ዢ እና ዶ/ር ኩይፒንግ ሃን “የሰው ልጅ በጋራ ተመስጦ መዋቅራዊ ንድፍ ለሚታጠፍ/ተጣጣፊ/ተዘረጋ/ተጠማዘዘ ባትሪ፡ በርካታ መበላሸትን ማሳካት” በሚል ርዕስ በኢነርጂ ኢንቫይሮን ላይ አሳትመዋል። ሳይ. ይህ ሥራ በሰዎች መገጣጠሚያዎች መዋቅር ተመስጦ እና ከመገጣጠሚያው ስርዓት ጋር ተመሳሳይ የሆነ ተለዋዋጭ ሊቢዎችን ነድፏል። በዚህ ልብ ወለድ ንድፍ ላይ በመመስረት የተዘጋጀው ተጣጣፊ ባትሪ ከፍተኛ የሃይል እፍጋትን ማግኘት እና መታጠፍ አልፎ ተርፎም በ180° ሊታጠፍ ይችላል። በተመሳሳይ ጊዜ መዋቅራዊ አወቃቀሩ በተለያዩ የንፋስ ዘዴዎች ሊለወጥ ስለሚችል ተለዋዋጭ LIBs የበለፀጉ የአካል መበላሸት ችሎታዎች እንዲኖራቸው፣ ለበለጠ ከባድ እና ውስብስብ የአካል ጉዳተኞች (መጠምዘዝ እና መጠምዘዝ) ሊተገበሩ እና ሊለጠጡም የሚችሉ እና የመበላሸት አቅማቸውም ነው። ከተለዋዋጭ የ LIBs ሪፖርቶች በጣም የራቀ። በዚህ ጽሑፍ ውስጥ የተነደፈው ባትሪ በተለያዩ ጥብቅ እና ውስብስብ ቅርፆች የአሁኑን የብረት ሰብሳቢው የማይቀለበስ የፕላስቲክ ለውጥ እንደማይደረግበት የተገደበ ኤለመንቱሌሽን ትንተና አረጋግጧል። በተመሳሳይ ጊዜ, የተገጣጠመው የካሬ ዩኒት ባትሪ እስከ 371.9 Wh / L የኃይል ጥንካሬን ማግኘት ይችላል, ይህም ከባህላዊ ለስላሳ ፓኬት ባትሪ 92.9% ነው. በተጨማሪም ፣ ከ 200,000 ጊዜ በላይ ተለዋዋጭ መታጠፍ እና 25,000 ጊዜ ከተለዋዋጭ መዛባት በኋላ እንኳን የተረጋጋ ዑደት አፈፃፀምን ጠብቆ ማቆየት ይችላል።

ተጨማሪ ጥናቶች እንደሚያሳዩት የተሰበሰበው የሲሊንደሪክ ዩኒት ሴል ይበልጥ ከባድ እና ውስብስብ የሆኑ ለውጦችን መቋቋም ይችላል. ከ100,000 በላይ ተለዋዋጭ ዝርጋታ፣ 20,000 ጠማማዎች እና 100,000 መታጠፍ ለውጦች አሁንም ከ 88% በላይ ከፍተኛ አቅም ማሳካት ይችላል - የማቆየት መጠን። ስለዚህ፣ በዚህ ጽሑፍ ውስጥ የታቀዱት ተለዋዋጭ LIBs በተለባሽ ኤሌክትሮኒክስ ውስጥ ለተግባራዊ አተገባበር ትልቅ ተስፋ ይሰጣል።

የምርምር ክፍሎች

1) ተለዋዋጭ ሊቢዎች፣ በሰዎች መገጣጠም አነሳሽነት፣ በመጠምዘዝ፣ በመጠምዘዝ፣ በመለጠጥ እና በመጠምዘዝ ለውጦች ስር የተረጋጋ ዑደት አፈፃፀምን ሊጠብቅ ይችላል።

(2) በካሬ ተጣጣፊ ባትሪ እስከ 371.9 Wh/L ያለውን የኢነርጂ ጥግግት ማሳካት ይችላል፣ ይህም ከባህላዊው ለስላሳ-ጥቅል ባትሪ 92.9% ነው።

(3) የተለያዩ የመጠምዘዣ ዘዴዎች የባትሪውን ቁልል ቅርፅ ሊለውጡ እና ለባትሪው በቂ መበላሸት ሊሰጡ ይችላሉ።

ግራፊክ መመሪያ

ጥናቶች እንደሚያሳዩት ከፍተኛ መጠን ያለው የኢነርጂ እፍጋት እና የበለጠ ውስብስብ ለውጦችን ከማረጋገጥ በተጨማሪ መዋቅራዊ ዲዛይኑ የአሁኑ ሰብሳቢውን የፕላስቲክ መበላሸትን ማስወገድ አለበት. የፊኒት ኤለመንቱ ሲሙሌሽን እንደሚያሳየው የአሁኑ ሰብሳቢው ምርጡ ዘዴ የአሁኑ ሰብሳቢው የፕላስቲክ መበላሸት እና የአሁኑ ሰብሳቢው የማይቀለበስ ጉዳት እንዳይደርስበት በመታጠፍ ሂደት ውስጥ አነስተኛ የታጠፈ ራዲየስ እንዳይኖር መከላከል ነው።

ምስል 1 ሀ የሰውን መገጣጠሚያዎች አወቃቀሩን ያሳያል, በዚህ ውስጥ በጥበብ ትልቅ ጠመዝማዛ ወለል ንድፍ መገጣጠሚያዎች ያለችግር እንዲሽከረከሩ ይረዳል. በዚህ ላይ በመመስረት ምስል 1 ለ የተለመደ ግራፋይት አኖድ / ድያፍራም / ሊቲየም ኮባልቴት (ኤልሲኦ) አኖድ ያሳያል, እሱም በካሬው ወፍራም ቁልል መዋቅር ውስጥ ሊጎዳ ይችላል. በመስቀለኛ መንገድ, ሁለት ወፍራም ጥብቅ ቁልል እና ተጣጣፊ ክፍልን ያካትታል. ከሁሉም በላይ፣ ወፍራም ቁልል ከመገጣጠሚያው የአጥንት ሽፋን ጋር የሚመጣጠን ጠመዝማዛ ገጽ አለው፣ ይህም የግፊት ግፊትን ይረዳል እና የተለዋዋጭ ባትሪውን ቀዳሚ አቅም ይሰጣል። የመለጠጥ ክፍሉ እንደ ጅማት ሆኖ የሚያገለግል ሲሆን ወፍራም ቁልልዎችን በማገናኘት እና ተለዋዋጭነትን ይሰጣል (ምስል 1 ሐ)። ወደ ስኩዌር ክምር ከመጠምዘዝ በተጨማሪ ሲሊንደሪክ ወይም ባለሶስት ማዕዘን ህዋሶች ያሏቸው ባትሪዎች የመጠምዘዣ ዘዴን በመቀየር ሊመረቱ ይችላሉ (ምስል 1 መ)። ለካሬ ሃይል ማከማቻ አሃዶች ለተለዋዋጭ LIBs እርስ በርስ የተያያዙት ክፍሎች በመጠምዘዝ ሂደት (ስእል 1e) ባለው ቅስት ቅርጽ ባለው የወፍራም ቁልል ላይ ይንከባለሉ፣ በዚህም የተለዋዋጭ ባትሪውን የሃይል ጥግግት በከፍተኛ ሁኔታ ይጨምራሉ። በተጨማሪም፣ በelastic polymer encapsulation፣ ተጣጣፊ LIBs ከሲሊንደሪክ አሃዶች ጋር ሊዘረጋ የሚችል እና ተጣጣፊ ባህሪያትን ማግኘት ይችላል (ምስል 1 ረ)።

ምስል 1 (ሀ) ልዩ የሆነ የጅማት ግንኙነት እና የተጠማዘዘ ወለል ንድፍ ተለዋዋጭነትን ለማግኘት አስፈላጊ ነው; (ለ) ተለዋዋጭ የባትሪ መዋቅር እና የማምረት ሂደት ንድፍ ንድፍ; (ሐ) አጥንት ከወፍራም የኤሌክትሮድ ቁልል ጋር ይዛመዳል፣ እና ጅማት ካልተጠቀለለ (D) ከሲሊንደሪክ እና ከሶስት ማዕዘን ሴሎች ጋር ተጣጣፊ የባትሪ መዋቅር; (ሠ) የካሬ ሕዋሶች ንድፍ መቆለል; (ረ) የሲሊንደሪክ ሕዋሳት መወጠር.

ተጨማሪ የሜካኒካል አስመሳይ ትንተና አጠቃቀም ተለዋዋጭ የባትሪ መዋቅር መረጋጋት አረጋግጧል. ምስል 2a ወደ ሲሊንደር (180 ዲግሪ ራዲያን) ሲታጠፍ የመዳብ እና የአሉሚኒየም ፊውል የጭንቀት ስርጭት ያሳያል። ውጤቶቹ እንደሚያሳዩት የመዳብ እና የአሉሚኒየም ፊውል ውጥረት ከምርታቸው ጥንካሬ በጣም ያነሰ ነው, ይህ መበላሸት የፕላስቲክ መበላሸትን አያመጣም. አሁን ያለው የብረት ሰብሳቢው የማይቀለበስ ጉዳትን ማስወገድ ይችላል.

ምስል 2b የመታጠፊያው ደረጃ የበለጠ ሲጨምር የጭንቀት ስርጭቱን ያሳያል እና የመዳብ ፎይል እና የአሉሚኒየም ፊውል ውጥረት ከተመጣጣኝ የምርት ጥንካሬያቸው ያነሰ ነው። ስለዚህ, አወቃቀሩ ጥሩ ጥንካሬን በሚጠብቅበት ጊዜ የታጠፈ ቅርጽን መቋቋም ይችላል. ከመታጠፍ ቅርጽ በተጨማሪ, ስርዓቱ በተወሰነ ደረጃ የተዛባ (ምስል 2 ሐ) ሊያሳካ ይችላል.

የሲሊንደሪክ አሃዶች ላሉት ባትሪዎች, በክበቡ ውስጣዊ ባህሪያት ምክንያት, የበለጠ ከባድ እና ውስብስብ መበላሸትን ሊያመጣ ይችላል. ስለዚህ, ባትሪው ወደ 180o (ምስል 2d, e) ሲታጠፍ, ከዋናው ርዝመት 140% ገደማ (ስእል 2f) ጋር ሲዘረጋ እና ወደ 90o (ስእል 2g) ሲጠማዘዝ, የሜካኒካዊ መረጋጋትን መጠበቅ ይችላል. በተጨማሪም ፣ መታጠፍ + መጠምዘዣ እና ጠመዝማዛ ቅርፅ በተናጥል ሲተገበሩ ፣ የተነደፈው የ LIBs መዋቅር በተለያዩ ከባድ እና ውስብስብ ለውጦች ውስጥ የአሁኑን የብረት ሰብሳቢው የማይቀለበስ የፕላስቲክ ለውጥ አያመጣም።

ምስል 2 (ac) በማጠፍ፣ በማጠፍ እና በመጠምዘዝ ስር ያለ የካሬ ሕዋስ የመጨረሻ ንጥረ ነገር የማስመሰል ውጤቶች። (di) በማጠፍ ፣ በማጠፍ ፣ በመለጠጥ ፣ በመጠምዘዝ ፣ በማጠፍ + በመጠምዘዝ እና በመጠምዘዝ ስር ያለው የሲሊንደሪክ ሕዋስ የመጨረሻ ንጥረ ነገር የማስመሰል ውጤቶች።

የተነደፈውን ተጣጣፊ ባትሪ ኤሌክትሮኬሚካላዊ አፈጻጸምን ለመገምገም LiCoO2 እንደ ካቶድ ማቴሪያል የመልቀቂያ አቅምን እና የዑደት መረጋጋትን ለመፈተሽ ጥቅም ላይ ውሏል። በስእል 3 ሀ ላይ እንደሚታየው አውሮፕላኑ ለመታጠፍ ፣ ለመደወል ፣ ለመታጠፍ እና በ 1 C ማጉላት ከተጠማዘዘ በኋላ በካሬ ሴሎች ያለው ባትሪ የመልቀቂያ አቅም በከፍተኛ ሁኔታ አይቀንስም ፣ ይህ ማለት የሜካኒካዊ ብልሽት የንድፍ ዲዛይን አያመጣም ማለት ነው ። ተለዋዋጭ ባትሪው በኤሌክትሮኬሚካላዊ መልኩ የአፈፃፀም ጠብታዎች. ከተለዋዋጭ መታጠፍ በኋላ (ምስል 3 ሐ ፣ መ) እና ተለዋዋጭ ቶርሽን (ምስል 3e ፣ f) እና ከተወሰኑ ዑደቶች በኋላ የኃይል መሙያ እና የመሙያ መድረክ እና የረጅም-ዑደት አፈፃፀም ምንም ለውጦች አይታዩም ፣ ይህ ማለት ውስጣዊ መዋቅር ባትሪው በደንብ የተጠበቀ ነው.

ምስል 3 (ሀ) ከ 1C በታች የካሬ ዩኒት ባትሪ መሙላት እና ማስወጣት ሙከራ; (ለ) በተለያዩ ሁኔታዎች ውስጥ የመሙላት እና የመልቀቂያ ኩርባ; (ሐ ፣ መ) በተለዋዋጭ መታጠፍ ፣ የባትሪ ዑደት አፈፃፀም እና ተዛማጅ የኃይል መሙያ እና የመልቀቂያ ኩርባ ፣ (ሠ, ረ) በተለዋዋጭ torsion ስር የባትሪው ዑደት አፈጻጸም እና በተለያዩ ዑደቶች ስር ያለው ተዛማጅ የኃይል መሙያ ከርቭ።

የማስመሰል ትንተና ውጤቶቹ እንደሚያሳዩት ለክበብ ውስጣዊ ባህሪያት ምስጋና ይግባቸውና ተለዋዋጭ LIBs ከሲሊንደሪክ አካላት ጋር በጣም ከባድ እና ውስብስብ ለውጦችን ይቋቋማሉ. ስለዚህ የሲሊንደሪክ አሃድ ተለዋዋጭ LIBs ኤሌክትሮኬሚካላዊ አፈፃፀም ለማሳየት በ 1 C ፍጥነት ፈተናው ተከናውኗል, ይህም ባትሪው የተለያዩ ለውጦችን ሲያደርግ በኤሌክትሮኬሚካላዊ አፈፃፀም ላይ ምንም ለውጥ የለም. መበላሸቱ የቮልቴጅ ኩርባውን እንዲቀይር አያደርግም (ምስል 4a, b).

የሲሊንደሪካል ባትሪውን የኤሌክትሮኬሚካላዊ መረጋጋት እና የሜካኒካል ጥንካሬን የበለጠ ለመገምገም ባትሪውን በ 1 C ፍጥነት ለተለዋዋጭ አውቶሜትድ ጭነት ሙከራ አድርጓል ። ጥናቶች እንደሚያሳዩት ከተለዋዋጭ ዝርጋታ በኋላ (ምስል 4 ሐ ፣ መ) ተለዋዋጭ torsion (ምስል 4e ፣ f) , እና ተለዋዋጭ መታጠፍ + torsion (ምስል 4g, h), የባትሪ ክፍያ-የፍሳሽ ዑደት አፈጻጸም እና ተዛማጅ የቮልቴጅ ጥምዝ ተጽዕኖ አይደለም. ምስል 4i በቀለማት ያሸበረቀ የኃይል ማከማቻ ክፍል ያለው የባትሪውን አፈጻጸም ያሳያል። የማፍሰሻ አቅሙ ከ 133.3 mAm g-1 ወደ 129.9 mAh g-1 መበስበስ, እና በአንድ ዑደት ውስጥ ያለው የአቅም ማጣት 0.04% ብቻ ነው, ይህም የአካል መበላሸት የዑደቱን መረጋጋት እና የመልቀቂያ አቅሙን እንደማይጎዳው ያሳያል.

ምስል 4 (ሀ) የተለያዩ የሲሊንደሪካል ሴሎች አወቃቀሮች ክፍያ እና የመልቀቅ ዑደት ሙከራ በ 1 C; (ለ) በተለያዩ ሁኔታዎች ውስጥ የባትሪው ተጓዳኝ የኃይል መሙያ እና የፍሳሽ ኩርባዎች; (ሐ፣ መ) በተለዋዋጭ ውጥረት ውስጥ የባትሪውን ዑደት አፈጻጸም እና መሙላት የመፍሰሻ ኩርባ; (ሠ, ረ) በተለዋዋጭ torsion ስር የባትሪ ዑደት አፈጻጸም እና በተለያዩ ዑደቶች ስር ተጓዳኝ ክፍያ-መፍሰሻ ከርቭ; (g, h) በተለዋዋጭ መታጠፊያ + torsion ስር የባትሪ ዑደት አፈጻጸም እና በተለያዩ ዑደቶች ስር ተጓዳኝ ክፍያ-ፈሳሽ ከርቭ; (I) የተለያዩ አወቃቀሮች ያሏቸው የፕሪዝም ዩኒት ባትሪዎች ቻርጅ እና መልቀቅ ሙከራ።

የዳበረውን ተለዋዋጭ ባትሪ በተግባር ለመገምገም፣ ደራሲው የተለያዩ የንግድ ኤሌክትሮኒክስ ምርቶችን እንደ ኢርፎን፣ ስማርት ሰአታት፣ ሚኒ ኤሌክትሪክ አድናቂዎች፣ የመዋቢያ መሳሪያዎች እና ስማርት ፎኖች ያሉ ሙሉ ባትሪዎችን ከተለያዩ የሃይል ማከማቻ ክፍሎች ጋር ይጠቀማል። ሁለቱም ለዕለት ተዕለት ጥቅም በቂ ናቸው, የተለያዩ ተለዋዋጭ እና ተለባሽ የኤሌክትሮኒክስ ምርቶችን የመተግበር አቅምን ሙሉ በሙሉ ያካትታል.

ምስል 5 የተነደፈውን ባትሪ ለጆሮ ማዳመጫዎች፣ ስማርት ሰዓቶች፣ አነስተኛ የኤሌክትሪክ አድናቂዎች፣ የመዋቢያ ዕቃዎች እና ስማርትፎኖች ላይ ይተገበራል። ተለዋዋጭ ባትሪ ለ (ሀ) የጆሮ ማዳመጫዎች (ለ) ስማርት ሰዓቶች እና (ሐ) አነስተኛ የኤሌክትሪክ አድናቂዎች; (መ) ለመዋቢያ ዕቃዎች ኃይል ያቀርባል; (ሠ) በተለያዩ የተበላሹ ሁኔታዎች ውስጥ፣ ተጣጣፊው ባትሪ ለስማርትፎኖች ኃይል ያቀርባል።

ማጠቃለያ እና አመለካከት

በማጠቃለያው ይህ ጽሑፍ በሰዎች መገጣጠሚያዎች መዋቅር ተመስጧዊ ነው. ከፍተኛ የኢነርጂ እፍጋት፣ ብዙ መበላሸት እና ረጅም ጊዜ የሚቆይ ተለዋዋጭ ባትሪ ለማምረት ልዩ የንድፍ ዘዴን ያቀርባል። ከተለምዷዊ ተለዋዋጭ LIBs ጋር ሲነጻጸር, ይህ አዲስ ንድፍ አሁን ያለውን የብረት ሰብሳቢ የፕላስቲክ መበላሸትን በተሳካ ሁኔታ ማስወገድ ይችላል. በተመሳሳይ ጊዜ በዚህ ጽሑፍ ውስጥ በተዘጋጀው የኃይል ማከማቻ ክፍል በሁለቱም ጫፎች ላይ የተቀመጡት ጠመዝማዛ ቦታዎች እርስ በርስ የተያያዙ ክፍሎችን በአካባቢው ያለውን ጭንቀት በተሳካ ሁኔታ ያስወግዳል. በተጨማሪም, የተለያዩ የመጠምዘዣ ዘዴዎች የቁልል ቅርፅን ሊለውጡ ይችላሉ, ይህም ለባትሪው በቂ መበላሸት ይሰጣል. ተለዋዋጭ ባትሪው ለአዲሱ ንድፍ ምስጋና ይግባውና እጅግ በጣም ጥሩ የዑደት መረጋጋት እና የሜካኒካል ጥንካሬን ያሳያል እና በተለያዩ ተለዋዋጭ እና ተለባሽ የኤሌክትሮኒክስ ምርቶች ላይ ሰፊ የመተግበር ተስፋ አለው።

የስነ-ጽሁፍ አገናኝ

በሰው መገጣጠሚያ-አነሳሽነት መዋቅራዊ ንድፍ ለሚታጠፍ/የሚታጠፍ/የሚዘረጋ/የሚለጠጥ ባትሪ፡ ብዙ መበላሸትን ማሳካት። (የኢነርጂ አካባቢ. ሳይ., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)