ہانگ کانگ CityU EES: انسانی جوڑوں سے متاثر لچکدار لتیم آئن بیٹری

ریسرچ بیک گراؤنڈ

الیکٹرانک مصنوعات کی بڑھتی ہوئی مانگ نے حالیہ برسوں میں لچکدار اور اعلی توانائی کی کثافت والے اسٹوریج ڈیوائسز کی تیز رفتار ترقی کو فروغ دیا ہے۔ لچکدار لتیم آئن بیٹریاں اعلی توانائی کی کثافت اور مستحکم الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کے ساتھ (LIBs) کو پہننے کے قابل الیکٹرانک مصنوعات کے لیے سب سے زیادہ امید افزا بیٹری ٹیکنالوجی سمجھا جاتا ہے۔ اگرچہ پتلی فلم کے الیکٹروڈز اور پولیمر پر مبنی الیکٹروڈز کا استعمال ڈرامائی طور پر LIBs کی لچک کو بہتر بناتا ہے، لیکن درج ذیل مسائل ہیں:

(1) زیادہ تر لچکدار بیٹریاں "منفی الیکٹروڈ-سیپریٹر-مثبت الیکٹروڈ" کے ذریعہ اسٹیک ہوتی ہیں اور ان کی محدود خرابی اور ملٹی لیئر اسٹیک کے درمیان پھسلنا LIBs کی مجموعی کارکردگی کو محدود کرتے ہیں۔

(2) کچھ زیادہ سنگین حالات میں، جیسے فولڈنگ، کھینچنا، سمیٹنا، اور پیچیدہ اخترتی، یہ بیٹری کی کارکردگی کی ضمانت نہیں دے سکتی۔

(3) ڈیزائن کی حکمت عملی کا حصہ موجودہ دھاتی کلیکٹر کی اخترتی کو نظر انداز کرتا ہے۔

اس لیے، بیک وقت اس کے ہلکے موڑنے والے زاویے، متعدد اخترتی طریقوں، اعلیٰ مکینیکل پائیداری، اور اعلی توانائی کی کثافت کو حاصل کرنے میں اب بھی بہت سے چیلنجز کا سامنا ہے۔

تعارف

حال ہی میں، ہانگ کانگ کی سٹی یونیورسٹی کے پروفیسر چونی ژی اور ڈاکٹر کیوپنگ ہان نے ایک مقالہ شائع کیا جس کا عنوان تھا "موڑنے کے قابل/ فولڈ ایبل/ اسٹریچ ایبل/ ٹوئسٹ ایبل بیٹری کے لیے انسانی مشترکہ ساختی ڈیزائن: توانائی کے ماحول پر متعدد خرابی کا حصول"۔ سائنس یہ کام انسانی جوڑوں کی ساخت سے متاثر ہوا اور جوائنٹ سسٹم کی طرح ایک قسم کی لچکدار LIBs ڈیزائن کی گئی۔ اس نئے ڈیزائن کی بنیاد پر، تیار شدہ، لچکدار بیٹری اعلی توانائی کی کثافت حاصل کر سکتی ہے اور 180° پر جھکی ہوئی یا فولڈ بھی ہو سکتی ہے۔ ایک ہی وقت میں، ساختی ڈھانچے کو سمیٹنے کے مختلف طریقوں کے ذریعے تبدیل کیا جا سکتا ہے تاکہ لچکدار LIBs میں اخترتی کی بھرپور صلاحیتیں ہوں، انہیں زیادہ شدید اور پیچیدہ اخترتیوں پر لاگو کیا جا سکتا ہے (وائنڈنگ اور مڑنا)، اور یہاں تک کہ پھیلایا جا سکتا ہے، اور ان کی اخترتی کی صلاحیتیں لچکدار LIBs کی پچھلی رپورٹوں سے کہیں زیادہ۔ محدود عنصر سمولیشن تجزیہ نے اس بات کی تصدیق کی ہے کہ اس کاغذ میں ڈیزائن کی گئی بیٹری مختلف سخت اور پیچیدہ خرابیوں کے تحت موجودہ دھاتی کلیکٹر کی ناقابل واپسی پلاسٹک کی اخترتی سے نہیں گزرے گی۔ ایک ہی وقت میں، اسمبل شدہ مربع یونٹ بیٹری 371.9 Wh/L تک کی توانائی کی کثافت حاصل کر سکتی ہے، جو روایتی سافٹ پیک بیٹری کا 92.9% ہے۔ اس کے علاوہ، یہ 200,000 بار سے زیادہ متحرک موڑنے اور 25,000 بار متحرک تحریف کے بعد بھی سائیکل کی مستحکم کارکردگی کو برقرار رکھ سکتا ہے۔

مزید تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ جمع شدہ بیلناکار یونٹ سیل زیادہ شدید اور پیچیدہ خرابیوں کا مقابلہ کر سکتا ہے۔ 100,000 سے زیادہ متحرک اسٹریچنگز، 20,000 موڑ، اور 100,000 موڑنے والی خرابیوں کے بعد، یہ اب بھی 88% سے زیادہ کی اعلی صلاحیت حاصل کر سکتا ہے — برقرار رکھنے کی شرح۔ لہذا، اس مقالے میں تجویز کردہ لچکدار LIBs پہننے کے قابل الیکٹرانکس میں عملی ایپلی کیشنز کے لیے ایک وسیع امکان فراہم کرتے ہیں۔

تحقیقات پر روشنی ڈالتا ہے

1) لچکدار LIBs، انسانی جوڑوں سے متاثر، موڑنے، مڑنے، کھینچنے اور سمیٹنے والی خرابیوں کے تحت سائیکل کی مستحکم کارکردگی کو برقرار رکھ سکتے ہیں۔

(2) ایک مربع لچکدار بیٹری کے ساتھ، یہ 371.9 Wh/L تک توانائی کی کثافت حاصل کر سکتی ہے، جو روایتی سافٹ پیک بیٹری کا 92.9 فیصد ہے۔

(3) سمیٹنے کے مختلف طریقے بیٹری کے اسٹیک کی شکل بدل سکتے ہیں اور بیٹری کو کافی خرابی فراہم کر سکتے ہیں۔

گرافک گائیڈ

تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ اعلی حجم کی توانائی کی کثافت اور زیادہ پیچیدہ اخترتی کو یقینی بنانے کے علاوہ، ساختی ڈیزائن کو موجودہ کلیکٹر کی پلاسٹک کی اخترتی سے بھی بچنا چاہیے۔ محدود عنصر کی تخروپن سے پتہ چلتا ہے کہ موجودہ کلکٹر کا بہترین طریقہ یہ ہونا چاہئے کہ موڑنے کے عمل کے دوران موجودہ کلکٹر کو موڑنے کے عمل کے دوران چھوٹے موڑنے والے رداس سے روکا جائے تاکہ موجودہ کلکٹر کے پلاسٹک کی خرابی اور ناقابل واپسی نقصان سے بچا جا سکے۔

شکل 1a انسانی جوڑوں کی ساخت کو ظاہر کرتا ہے، جس میں چالاکی سے بڑے خم دار سطح کا ڈیزائن جوڑوں کو آسانی سے گھومنے میں مدد کرتا ہے۔ اس کی بنیاد پر، شکل 1b ایک عام گریفائٹ anode/diaphragm/lithium cobaltate (LCO) anode دکھاتا ہے، جسے مربع موٹی اسٹیک ڈھانچے میں زخم کیا جا سکتا ہے۔ جنکشن پر، یہ دو موٹے سخت ڈھیروں اور ایک لچکدار حصے پر مشتمل ہوتا ہے۔ زیادہ اہم بات یہ ہے کہ موٹی اسٹیک میں جوڑوں کی ہڈیوں کے ڈھکنے کے برابر ایک خمیدہ سطح ہوتی ہے، جو بفر پریشر میں مدد کرتا ہے اور لچکدار بیٹری کی بنیادی صلاحیت فراہم کرتا ہے۔ لچکدار حصہ ایک ligament کے طور پر کام کرتا ہے، موٹے ڈھیروں کو جوڑتا ہے اور لچک فراہم کرتا ہے (شکل 1c)۔ مربع ڈھیر میں سمیٹنے کے علاوہ، بیلناکار یا تکونی خلیوں والی بیٹریاں بھی سمیٹنے کا طریقہ تبدیل کر کے تیار کی جا سکتی ہیں (شکل 1d)۔ مربع توانائی ذخیرہ کرنے والی اکائیوں کے ساتھ لچکدار LIBs کے لیے، باہم جڑے ہوئے حصے موڑنے کے عمل کے دوران موٹے اسٹیک کی آرک نما سطح کے ساتھ گھومتے ہیں (شکل 1e)، اس طرح لچکدار بیٹری کی توانائی کی کثافت میں نمایاں اضافہ ہوتا ہے۔ اس کے علاوہ، لچکدار پولیمر انکیپسولیشن کے ذریعے، بیلناکار اکائیوں کے ساتھ لچکدار LIBs اسٹریچ ایبل اور لچکدار خصوصیات حاصل کر سکتے ہیں (شکل 1f)۔

شکل 1 (a) لچک کے حصول کے لیے منفرد لیگامینٹ کنکشن اور خمیدہ سطح کا ڈیزائن ضروری ہے۔ (b) لچکدار بیٹری کی ساخت اور مینوفیکچرنگ کے عمل کا اسکیمیٹک خاکہ؛ (c) ہڈی موٹے الیکٹروڈ اسٹیک کے مساوی ہے، اور ligament unrolled (D) بیلناکار اور مثلث خلیات کے ساتھ لچکدار بیٹری کی ساخت سے مساوی ہے؛ (e) مربع خلیات کی اسٹیکنگ اسکیمیٹک ڈایاگرام؛ (f) بیلناکار خلیوں کی کھینچنے والی اخترتی۔

مکینیکل سمولیشن تجزیہ کے مزید استعمال نے بیٹری کی لچکدار ساخت کے استحکام کی تصدیق کی۔ شکل 2a سلنڈر (180° ریڈین) میں جھکنے پر تانبے اور ایلومینیم فوائل کی تناؤ کی تقسیم کو ظاہر کرتا ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ تانبے اور ایلومینیم فوائل کا تناؤ ان کی پیداواری طاقت سے بہت کم ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ یہ اخترتی پلاسٹک کی اخترتی کا سبب نہیں بنے گی۔ موجودہ میٹل کلیکٹر ناقابل واپسی نقصان سے بچ سکتا ہے۔

شکل 2b تناؤ کی تقسیم کو ظاہر کرتا ہے جب موڑنے کی ڈگری مزید بڑھ جاتی ہے، اور تانبے کے ورق اور ایلومینیم فوائل کا تناؤ بھی ان کی متعلقہ پیداواری طاقت سے کم ہوتا ہے۔ لہذا، اچھی استحکام کو برقرار رکھتے ہوئے ڈھانچہ فولڈنگ اخترتی کا مقابلہ کر سکتا ہے۔ موڑنے والی اخترتی کے علاوہ، نظام ایک خاص حد تک تحریف حاصل کرسکتا ہے (شکل 2c)۔

بیلناکار اکائیوں والی بیٹریوں کے لیے، دائرے کی موروثی خصوصیات کی وجہ سے، یہ زیادہ شدید اور پیچیدہ اخترتی حاصل کر سکتی ہے۔ لہذا، جب بیٹری کو 180o (Figure 2d, e) پر فولڈ کیا جاتا ہے، اصل لمبائی کے تقریباً 140% تک پھیلایا جاتا ہے (شکل 2f)، اور 90o (فگر 2g) پر مڑا جاتا ہے، تو یہ مکینیکل استحکام برقرار رکھ سکتی ہے۔ اس کے علاوہ، جب موڑنے + موڑنے اور سمیٹنے والی اخترتی کو الگ الگ لاگو کیا جاتا ہے، تو ڈیزائن کردہ LIBs ڈھانچہ مختلف شدید اور پیچیدہ خرابیوں کے تحت موجودہ دھاتی کلیکٹر کی ناقابل واپسی پلاسٹک کی خرابی کا سبب نہیں بنے گا۔

شکل 2 (ac) موڑنے، تہہ کرنے، اور مڑنے کے نیچے ایک مربع سیل کے محدود عنصر کے تخروپن کے نتائج؛ (di) موڑنے، تہہ کرنے، کھینچنے، گھمنے، موڑنے + گھمنے اور سمیٹنے کے تحت ایک بیلناکار سیل کے محدود عنصر کے تخروپن کے نتائج۔

ڈیزائن کردہ لچکدار بیٹری کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کا جائزہ لینے کے لیے، LiCoO2 کو کیتھوڈ مواد کے طور پر استعمال کیا گیا تاکہ خارج ہونے والی صلاحیت اور سائیکل کے استحکام کو جانچا جا سکے۔ جیسا کہ شکل 3a میں دکھایا گیا ہے، 1 C میگنیفیکیشن پر ہوائی جہاز کو موڑنے، انگوٹھی، تہہ کرنے اور مڑنے کے لیے درست شکل دینے کے بعد مربع خلیات والی بیٹری کی خارج ہونے کی صلاحیت میں خاطر خواہ کمی نہیں آتی، جس کا مطلب ہے کہ مکینیکل اخترتی ڈیزائن کی خرابی کا سبب نہیں بنے گی۔ لچکدار بیٹری الیکٹرو کیمیکل کارکردگی میں کمی آتی ہے۔ متحرک موڑنے (فگر 3 سی، ڈی) اور ڈائنامک ٹورشن (فگر 3 ای، ایف) کے بعد بھی، اور ایک مخصوص تعداد کے چکروں کے بعد، چارجنگ اور ڈسچارجنگ پلیٹ فارم اور لانگ سائیکل کی کارکردگی میں کوئی واضح تبدیلی نہیں آئی، جس کا مطلب ہے کہ اندرونی ساخت بیٹری اچھی طرح سے محفوظ ہے.

شکل 3 (a) 1C کے تحت مربع یونٹ بیٹری کا چارج اور ڈسچارج ٹیسٹ؛ (ب) مختلف حالات کے تحت چارج اور خارج ہونے والا منحنی خطوط؛ (c, d) متحرک موڑنے کے تحت، بیٹری سائیکل کی کارکردگی اور متعلقہ چارج اور ڈسچارج وکر؛ (e، f) متحرک ٹورشن کے تحت، بیٹری کی سائیکل کی کارکردگی اور مختلف سائیکلوں کے تحت متعلقہ چارج ڈسچارج وکر۔

نقلی تجزیہ کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ دائرے کی موروثی خصوصیات کی بدولت، بیلناکار عناصر کے ساتھ لچکدار LIB زیادہ شدید اور پیچیدہ خرابیوں کا مقابلہ کر سکتے ہیں۔ لہذا، بیلناکار یونٹ کے لچکدار LIBs کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کو ظاہر کرنے کے لیے، ٹیسٹ 1 C کی شرح سے کیا گیا، جس سے معلوم ہوا کہ جب بیٹری مختلف خرابیوں سے گزرتی ہے، تو الیکٹرو کیمیکل کارکردگی میں تقریباً کوئی تبدیلی نہیں ہوتی۔ اخترتی وولٹیج کی وکر کو تبدیل نہیں کرے گی (شکل 4a، b)۔

بیلناکار بیٹری کے الیکٹرو کیمیکل استحکام اور مکینیکل استحکام کا مزید جائزہ لینے کے لیے، اس نے بیٹری کو 1 C کی شرح سے ایک متحرک خودکار لوڈ ٹیسٹ سے مشروط کیا۔ تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ متحرک کھینچنے کے بعد (شکل 4c، d)، متحرک ٹارشن (Figure 4e) ، اور متحرک موڑنے + ٹورشن (شکل 4g، h)، بیٹری چارج ڈسچارج سائیکل کی کارکردگی اور متعلقہ وولٹیج وکر متاثر نہیں ہوتے ہیں۔ شکل 4i رنگین توانائی ذخیرہ کرنے والے یونٹ کے ساتھ بیٹری کی کارکردگی کو ظاہر کرتا ہے۔ خارج ہونے کی صلاحیت 133.3 mAm g-1 سے 129.9 mAh g-1 تک گر جاتی ہے، اور فی سائیکل صلاحیت کا نقصان صرف 0.04% ہے، جو اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ خرابی اس کے سائیکل کے استحکام اور خارج ہونے کی صلاحیت کو متاثر نہیں کرے گی۔

شکل 4 (a) 1 C پر بیلناکار خلیوں کی مختلف ترتیبوں کا چارج اور ڈسچارج سائیکل ٹیسٹ؛ (b) مختلف حالات میں بیٹری کے متعلقہ چارج اور ڈسچارج منحنی خطوط؛ (c, d) متحرک تناؤ خارج ہونے والے منحنی خطوط کے تحت سائیکل کی کارکردگی اور بیٹری کی چارج؛ (ای، ایف) متحرک ٹارشن کے تحت بیٹری کی سائیکل کی کارکردگی اور مختلف سائیکلوں کے تحت متعلقہ چارج ڈسچارج وکر؛ (g, h) متحرک موڑنے + ٹارشن کے تحت بیٹری کی سائیکل کی کارکردگی اور مختلف سائیکلوں کے تحت متعلقہ چارج ڈسچارج وکر؛ (I) 1 C پر مختلف کنفیگریشن کے ساتھ پرزمیٹک یونٹ بیٹریوں کا چارج اور ڈسچارج ٹیسٹ۔

عملی طور پر تیار کردہ لچکدار بیٹری کے اطلاق کا جائزہ لینے کے لیے، مصنف کچھ تجارتی الیکٹرانک مصنوعات، جیسے ائرفون، سمارٹ واچز، چھوٹے الیکٹرک پنکھے، کاسمیٹک آلات، اور سمارٹ فونز کو پاور کرنے کے لیے مختلف قسم کے توانائی ذخیرہ کرنے والے یونٹوں کے ساتھ مکمل بیٹریاں استعمال کرتا ہے۔ دونوں روزمرہ کے استعمال کے لیے کافی ہیں، مختلف لچکدار اور پہننے کے قابل الیکٹرانک مصنوعات کے استعمال کی صلاحیت کو مکمل طور پر مجسم کرتے ہیں۔

شکل 5 ڈیزائن کردہ بیٹری کو ائرفونز، سمارٹ واچز، چھوٹے الیکٹرک پنکھوں، کاسمیٹک آلات اور اسمارٹ فونز پر لاگو کرتا ہے۔ لچکدار بیٹری (a) ائرفونز، (b) سمارٹ واچز، اور (c) چھوٹے الیکٹرک پنکھوں کے لیے بجلی فراہم کرتی ہے۔ (d) کاسمیٹک آلات کے لیے بجلی کی فراہمی؛ (e) مختلف خرابی کے حالات میں، لچکدار بیٹری اسمارٹ فونز کے لیے بجلی فراہم کرتی ہے۔

خلاصہ اور نقطہ نظر

خلاصہ یہ کہ یہ مضمون انسانی جوڑوں کی ساخت سے متاثر ہے۔ یہ اعلی توانائی کی کثافت، متعدد خرابی، اور استحکام کے ساتھ لچکدار بیٹری بنانے کے لیے ایک منفرد ڈیزائن کا طریقہ تجویز کرتا ہے۔ روایتی لچکدار LIBs کے مقابلے میں، یہ نیا ڈیزائن موجودہ دھاتی کلیکٹر کی پلاسٹک کی خرابی سے مؤثر طریقے سے بچ سکتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، اس کاغذ میں ڈیزائن کیے گئے انرجی سٹوریج یونٹ کے دونوں سروں پر محفوظ خمیدہ سطحیں مؤثر طریقے سے باہم جڑے ہوئے اجزاء کے مقامی تناؤ کو دور کر سکتی ہیں۔ اس کے علاوہ، سمیٹنے کے مختلف طریقے اسٹیک کی شکل بدل سکتے ہیں، جس سے بیٹری کافی خراب ہو جاتی ہے۔ لچکدار بیٹری نئے ڈیزائن کی بدولت بہترین سائیکل استحکام اور مکینیکل استحکام کی نمائش کرتی ہے اور مختلف لچکدار اور پہننے کے قابل الیکٹرانک مصنوعات میں وسیع اطلاق کے امکانات رکھتی ہے۔

ادب کا ربط

موڑنے کے قابل/ فولڈ ایبل/ اسٹریچ ایبل/ ٹوئسٹ ایبل بیٹری کے لیے انسانی مشترکہ سے متاثر ساختی ڈیزائن: متعدد خرابی کو حاصل کرنا۔ (توانائی کا ماحول۔ سائنس, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)