Hong Cong CityU EES: Ceallraí litiam-ian solúbtha spreagtha ag hailt daonna

Cúlra Taighde

Tá an t-éileamh méadaitheach ar tháirgí leictreonacha tar éis forbairt tapa a dhéanamh ar fheistí stórála solúbtha agus ard-dlúis le blianta beaga anuas. Cadhnraí ian litiam solúbtha (LIBanna) le dlús ardfhuinnimh agus feidhmíocht leictriceimiceach chobhsaí a mheastar an teicneolaíocht ceallraí is bisiúla le haghaidh táirgí leictreonacha inchaite. Cé go gcuireann úsáid leictreoidí scannáin tanaí agus leictreoidí polaiméire feabhas mór ar sholúbthacht LIBanna, tá na fadhbanna seo a leanas ann:

(1) Tá an chuid is mó de chadhnraí solúbtha cruachta ag "leictreoid dhiúltach deighilteoir leictreoid-dearfach," agus cuireann a n-dífhoirmiúlacht teoranta agus a n-sleamhnú idir stoic ilchiseal srian ar fheidhmíocht fhoriomlán na LIBanna;

(2) Faoi roinnt coinníollacha níos déine, mar shampla fillte, síneadh, foirceannadh, agus dífhoirmiúchán casta, ní féidir leis an fheidhmíocht ceallraí a ráthú;

(3) Déanann cuid den straitéis dearaidh neamhaird ar dhífhoirmiú an bhailitheora miotail reatha.

Dá bhrí sin, ag baint amach ag an am céanna a uillinn lúbthachta beag, modhanna dífhoirmiúchán iolrach, marthanacht meicniúil níos fearr, agus dlús ardfhuinnimh fós os comhair go leor dúshlán.

Réamhrá

Le déanaí, d'fhoilsigh an tOllamh Chunyi Zhi agus an Dr. Cuiping Han ó Ollscoil Chathair Hong Cong páipéar dar teideal "Dearadh struchtúrach spreagtha comhpháirteach daonna do chadhnraí lúbtha / infhillte / insínte / infhillte: dífhoirmitheacht iolrach a bhaint amach" ar Energy Environ. Sci. Ba é struchtúr na n-alt daonna a spreag an obair seo agus dhear sí cineál LIBanna solúbtha cosúil leis an gcóras comhpháirteach. Bunaithe ar an dearadh nua seo, is féidir leis an gceallraí ullmhaithe, solúbtha dlús ardfhuinnimh a bhaint amach agus a lúbadh nó fiú fillte ag 180 °. Ag an am céanna, is féidir an struchtúr struchtúrach a athrú trí mhodhanna foirceannadh éagsúla ionas go mbeidh cumas dífhoirmithe saibhir ag LIB solúbtha, is féidir iad a chur i bhfeidhm ar dhífhoirmíochtaí níos déine agus casta (foirceannadh agus casadh), agus is féidir iad a shíneadh fiú, agus tá a gcumas dífhoirmithe. i bhfad níos faide ná tuairiscí roimhe seo ó LIBanna solúbtha. Dhearbhaigh anailís ionsamhlúcháin eilimint chríochnaithe nach ndéanfaí dífhoirmiúchán plaisteach do-aisiompaithe ar an mbailitheoir miotail reatha ar an gceallraí atá deartha sa pháipéar seo faoi dhífhoirmíochtaí éagsúla casta agus crua. Ag an am céanna, is féidir leis an gceallraí aonad cearnach cóimeáilte dlús fuinnimh suas le 371.9 Wh/L a bhaint amach, is é sin 92.9% den cheallraí pacáiste bog traidisiúnta. Ina theannta sin, féadann sé feidhmíocht timthriall cobhsaí a choimeád fiú tar éis níos mó ná 200,000 uair de lúbadh dinimiciúil agus 25,000 uair de shaobhadh dinimiciúil.

Léiríonn taighde breise gur féidir leis an gcill aonad sorcóireach cóimeáilte dífhoirmíochtaí níos déine agus níos casta a sheasamh. Tar éis níos mó ná 100,000 síneadh dinimiciúil, 20,000 casadh, agus 100,000 dífhoirmiúchán lúbthachta, féadann sé fós cumas ard de níos mó ná 88% a bhaint amach - ráta coinneála. Mar sin, cuireann na LIBanna solúbtha atá molta sa pháipéar seo ionchas ollmhór ar fáil d’fheidhmchláir phraiticiúla i leictreonaic inchaite.

Buaicphointí taighde

1) Is féidir le LIBanna solúbtha, spreagtha ag hailt daonna, feidhmíocht timthriall cobhsaí a choinneáil faoi dhífhoirmíochtaí lúbthachta, casadh, síneadh agus foirceannadh;

(2) Le ceallraí cearnach solúbtha, is féidir leis dlús fuinnimh suas le 371.9 Wh/L a bhaint amach, is é sin 92.9% den cheallraí bog-phacáiste traidisiúnta;

(3) Is féidir le modhanna foirceannadh éagsúla cruth an chruach ceallraí a athrú agus dífhoirmiúlacht leordhóthanach a thabhairt don cheallraí.

Treoir grafach

Tá sé léirithe ag taighde, chomh maith le dlús fuinnimh ard-toirte agus dífhoirmiúchán níos casta a chinntiú, ní mór don dearadh struchtúrach dífhoirmiúchán plaisteach an bhailitheora reatha a sheachaint freisin. Léiríonn an insamhalta eilimint chríochnaithe gur chóir gurb é an modh is fearr den bhailitheoir reatha ná ga lúbthachta beag a bheith ag an mbailitheoir reatha le linn an phróisis lúbthachta chun dífhoirmiúchán plaisteach agus damáiste do-aisiompaithe an bhailitheora reatha a sheachaint.

Taispeánann Figiúr 1a struchtúr na n-alt daonna, ina gcuidíonn an dearadh dromchla cuartha cliste níos mó na hailt a rothlú go réidh. Bunaithe air seo, taispeánann Fíor 1b anóid graifíte/scairt/cóbaltáit litiam (LCO) tipiciúil, ar féidir é a fhoirceannadh i struchtúr cruachta cearnach tiubh. Ag an acomhal, tá sé comhdhéanta de dhá chruach docht tiubh agus cuid solúbtha. Níos tábhachtaí fós, tá dromchla cuartha ag an stack tiubh comhionann leis an gclúdach cnámh comhpháirteach, rud a chabhraíonn le brú maolánach agus soláthraíonn sé cumas príomhúil na ceallraí solúbtha. Feidhmíonn an chuid leaisteacha mar ligament, ag nascadh cruacha tiubh agus ag soláthar solúbthachta (Fíor 1c). Chomh maith le foirceannadh isteach i gcarn cearnach, is féidir cadhnraí le cealla sorcóireacha nó triantánacha a mhonarú freisin tríd an modh foirceannadh a athrú (Fíor 1d). Le haghaidh LIBanna solúbtha le haonaid stórála fuinnimh cearnacha, rollfaidh na codanna idirnasctha feadh dhromchla stua-chruthach an chruach tiubh le linn an phróisis lúbthachta (Fíor 1e), rud a mhéadóidh dlús fuinnimh na ceallraí solúbtha go suntasach. Ina theannta sin, trí imchochlú polaiméire leaisteacha, is féidir le LIBanna solúbtha le haonaid sorcóireacha airíonna insínte agus solúbtha a bhaint amach (Fíor 1f).

Fíor 1 (a) Tá dearadh nasc ligament uathúil agus dromchla cuartha riachtanach chun solúbthacht a bhaint amach; (b) Léaráid scéimreach de struchtúr ceallraí solúbtha agus próiseas déantúsaíochta; (c) comhfhreagraíonn cnámh do chruach leictreoid níos tiús, agus comhfhreagraíonn ligament do struchtúr ceallraí neamhrollta (D) solúbtha le cealla sorcóireacha agus triantánacha; (e) Léaráid scéimreach cruachta de chealla cearnacha; (f) Dífhoirmiúchán síneadh cealla sorcóireacha.

Dhearbhaigh úsáid bhreise anailíse insamhalta meicniúil cobhsaíocht an struchtúir ceallraí solúbtha. Taispeánann Fíor 2a dáileadh struis scragall copair agus alúmanaim nuair a lúbtar isteach i sorcóir (raidian 180°). Léiríonn na torthaí go bhfuil an strus scragall copair agus alúmanaim i bhfad níos ísle ná a neart toraidh, rud a léiríonn nach mbeidh an dífhoirmiúchán seo ina chúis le dífhoirmiúchán plaisteach. Is féidir leis an mbailitheoir miotail reatha damáiste dochúlaithe a sheachaint.

Taispeánann Fíor 2b an dáileadh strus nuair a mhéadaítear an méid lúbthachta a thuilleadh, agus tá an strus scragall copair agus scragall alúmanaim níos lú ná a neart toraidh comhfhreagrach. Dá bhrí sin, is féidir leis an struchtúr dífhoirmiúchán fillte a sheasamh agus dea-marthanacht á chothabháil. Chomh maith le dífhoirmiúchán lúbthachta, is féidir leis an gcóras méid áirithe saobhadh a bhaint amach (Fíor 2c).

Maidir le cadhnraí le haonaid sorcóireacha, mar gheall ar shaintréithe dúchasacha an chiorcail, is féidir leis dífhoirmiúchán níos déine agus casta a bhaint amach. Dá bhrí sin, nuair a bhíonn an ceallraí fillte go 180o (Fíor 2d, e), sínte go dtí thart ar 140% den fhad bunaidh (Fíor 2f), agus twisted go 90o (Fíor 2g), féadann sé cobhsaíocht mheicniúil a chothabháil. Ina theannta sin, nuair a chuirtear lúbthachta + lúbadh agus dífhoirmiúchán foirceannadh i bhfeidhm ar leithligh, ní bheidh an struchtúr LIB deartha ina chúis le dífhoirmiúchán plaisteach do-aisiompaithe ar an mbailitheoir miotail reatha faoi dhífhoirmíochtaí tromchúiseacha agus casta éagsúla.

Fíor 2 (ac) Torthaí ionsamhlúcháin eiliminte críochta de chill chearnógach faoi lúbadh, fillte agus casadh; (di) Torthaí ionsamhlúcháin eiliminte críochta ar chill shorcóireach faoi lúbadh, fillte, síneadh, casadh, lúbadh + casadh agus foirceannadh.

Chun feidhmíocht leictriceimiceach na ceallraí solúbtha deartha a mheas, baineadh úsáid as LiCoO2 mar ábhar catóide chun an cumas urscaoilte agus cobhsaíocht an timthrialla a thástáil. Mar a thaispeántar i bhFíor 3a, ní laghdaítear cumas urscaoilte na ceallraí le cealla cearnacha go mór tar éis an t-eitleán a dhífhoirmiú chun lúbadh, fáinne, fillte, agus casadh ag formhéadú 1 C, rud a chiallaíonn nach gcuirfidh an dífhoirmiúchán meicniúil faoi deara dearadh na an ceallraí solúbtha a bheith leictriceimiceach Titeann feidhmíochta. Fiú amháin tar éis lúbthachta dinimiciúil (Fíor 3c, d) agus torsion dinimiciúil (Fíor 3e, f), agus tar éis líon áirithe timthriallta, níl aon athruithe soiléire ar an ardán muirir agus urscaoilte agus feidhmíocht fad-timthriallta, rud a chiallaíonn go bhfuil an struchtúr inmheánach. tá an ceallraí cosanta go maith.

Fíor 3 (a) Tástáil luchtaithe agus urscaoilte ar cheallraí aonad cearnach faoi 1C; (b) Cuar luchtaithe agus scaoilte faoi choinníollacha éagsúla; (c, d) Faoi lúbadh dinimiciúil, feidhmíocht timthriall ceallraí agus cuar muirir agus urscaoilte comhfhreagrach; (e, f) Faoin torsion dinimiciúil, feidhmíocht timthriall na ceallraí agus an cuar muirear-urscaoilte comhfhreagrach faoi thimthriallta éagsúla.

Léiríonn torthaí an anailíse insamhalta, a bhuíochas do shaintréithe bunúsacha an chiorcail, gur féidir leis na LIBanna solúbtha le heilimintí sorcóireacha dífhoirmíochtaí níos foircneacha agus casta a sheasamh. Dá bhrí sin, chun feidhmíocht leictriceimiceach LIBanna solúbtha an aonaid sorcóireach a léiriú, rinneadh an tástáil ag ráta 1 C, rud a léirigh, nuair a théann an ceallraí faoi dhífhoirmíochtaí éagsúla, nach bhfuil beagnach aon athrú ar an bhfeidhmíocht leictriceimiceach. Ní chuirfidh an dífhoirmiúchán faoi deara an cuar voltais a athrú (Fíor 4a, b).

Chun cobhsaíocht leictriceimiceach agus marthanacht mheicniúil na ceallraí sorcóireach a mheas tuilleadh, chuir sé an ceallraí faoi réir tástála ualaigh dinimiciúil uathoibrithe ag ráta 1 C. Léiríonn taighde gur tar éis síneadh dinimiciúil (Fíor 4c, d), torsion dinimiciúil (Fíor 4e, f) , agus lúbadh dinimiciúil + torsion (Fíor 4g, h), ní dhéantar difear d'fheidhmíocht timthriall muirear-urscaoilte na ceallraí agus an cuar voltas comhfhreagrach. Taispeánann Fíor 4i feidhmíocht ceallraí le aonad stórála fuinnimh ildaite. Meath an cumas urscaoilte ó 133.3 mAm g-1 go 129.9 mAh g-1, agus níl an caillteanas cumais in aghaidh an timthrialla ach 0.04%, rud a léiríonn nach ndéanfaidh an dífhoirmiúchán difear dá chobhsaíocht timthriall agus ar chumas urscaoilte.

Fíor 4 (a) Tástáil timthriall muirir agus urscaoilte ar chumraíochtaí éagsúla de chealla sorcóireacha ag 1 C; (b) Muirear comhfhreagrach agus cuair urscaoilte na ceallraí faoi choinníollacha éagsúla; (c, d) Feidhmíocht rothaíochta agus luchtú na ceallraí faoi chuar urscaoilte teannas dinimiciúil; (e, f) feidhmíocht timthriall na ceallraí faoi thorsion dinimiciúil agus an cuar muirear-urscaoilte comhfhreagrach faoi thimthriallta éagsúla; (g, h) feidhmíocht timthriall na ceallraí faoi lúbadh dinimiciúil + torsion agus an cuar muirear-urscaoilte comhfhreagrach faoi thimthriallta éagsúla; (I) Tástáil luchtaithe agus urscaoilte ar chadhnraí aonaid priosmatacha le cumraíochtaí éagsúla ag 1 C.

Chun cur i bhfeidhm na ceallraí solúbtha forbartha a mheas go praiticiúil, úsáideann an t-údar cadhnraí iomlána le cineálacha éagsúla aonad stórála fuinnimh chun cumhacht a thabhairt do roinnt táirgí leictreonacha tráchtála, mar shampla cluasáin, uaireadóirí cliste, mion-lucht leanúna leictreacha, ionstraimí cosmaideacha, agus fóin chliste. Tá an dá cheann leordhóthanach lena n-úsáid ó lá go lá, cuimsíonn siad go hiomlán an acmhainneacht iarratais atá ag táirgí leictreonacha éagsúla solúbtha agus inchaite.

Baineann Figiúr 5 an ceallraí deartha le cluasáin, uaireadóirí cliste, lucht leanúna leictreacha mion, trealamh cosmaideacha, agus fóin chliste. Soláthraíonn an ceallra solúbtha cumhacht do (a) cluasáin, (b) uaireadóirí cliste, agus (c) mion-lucht leanúna leictreacha; (d) soláthraíonn sé cumhacht do threalamh cosmaideach; (e) faoi choinníollacha dífhoirmithe éagsúla, soláthraíonn an ceallraí solúbtha cumhacht do fhóin chliste.

Achoimre agus dearcadh

Go hachomair, tá an t-alt seo spreagtha ag struchtúr na hailt daonna. Molann sé modh dearadh uathúil chun ceallraí solúbtha a mhonarú le dlús ardfhuinnimh, dífhoirmitheacht iolrach, agus marthanacht. I gcomparáid le LIBanna solúbtha traidisiúnta, is féidir leis an dearadh nua seo dífhoirmiúchán plaisteach an bhailitheora miotail reatha a sheachaint go héifeachtach. Ag an am céanna, is féidir leis na dromchlaí cuartha atá in áirithe ag an dá cheann den aonad stórála fuinnimh atá deartha sa pháipéar seo strus áitiúil na gcomhpháirteanna idirnasctha a mhaolú go héifeachtach. Ina theannta sin, is féidir le modhanna foirceannadh éagsúla cruth an chruach a athrú, rud a thugann dóthain dífhoirmithe don cheallraí. Léiríonn an ceallraí solúbtha cobhsaíocht timthriall den scoth agus marthanacht mheicniúil a bhuíochas leis an dearadh úrnua agus tá ionchais fhorleathana iarratais aige i dtáirgí leictreonacha solúbtha agus inchaite éagsúla.

Nasc litríochta

Dearadh struchtúrach comhspreagtha ag an duine do cheallraí inchloite / infhillte / insínte / infhillte: dífhoirmitheacht iolrach a bhaint amach. (Timpeallacht Fuinnimh. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)