Структурные батареи используются в таких отраслях, как экологически чистые, энергетические автомобили, мобильность и аэрокосмическая промышленность, и они должны одновременно соответствовать требованиям высокой плотности энергии для хранения энергии и высокой несущей способности. Традиционная технология структурных батарей боролась за улучшение обеих функций одновременно. Однако исследователи KAIST преуспели в разработке основополагающей технологии для решения этой проблемы.
Команда профессора Сонг Су Кима из кафедры машиностроения разработала тонкую, однородную, высокоплотную, многофункциональную структурную батарею из композитного углеродного волокна , способную выдерживать нагрузки, и которая не подвержена риску возгорания, предлагая при этом высокую плотность энергии. Исследование опубликовано в ACS Applied Materials & Interfaces .
Ранние структурные батареи включали встраивание коммерческих литий-ионных батарей в слоистые композитные материалы . Эти батареи страдали от низкой интеграции своих механических и электрохимических свойств , что приводило к проблемам в обработке материалов, сборке и оптимизации конструкции, что затрудняло коммерциализацию.
Чтобы преодолеть эти проблемы, команда профессора Кима исследовала концепцию «энергосберегающих композитных материалов», сосредоточившись на свойствах интерфейса и отверждения, которые имеют решающее значение в традиционном композитном дизайне. Это привело к разработке многофункциональных структурных композитных батарей из углеродного волокна высокой плотности, которые максимизируют многофункциональность.
Команда проанализировала механизмы отверждения эпоксидной смолы, известной своими сильными механическими свойствами, в сочетании с ионными жидкими и карбонатными электролитами на основе твердых полимерных электролитов. Контролируя температуру и давление, они смогли оптимизировать процесс отверждения.
Новая структурная батарея была изготовлена методом вакуумного компрессионного формования, что позволило увеличить объемную долю углеродных волокон, которые служат как электродами, так и токосъемниками, более чем на 160% по сравнению с предыдущими батареями на основе углеродного волокна.
Это значительно увеличило площадь контакта между электродами и электролитами, что привело к созданию структурной батареи высокой плотности с улучшенными электрохимическими характеристиками. Кроме того, команда эффективно контролировала пузырьки воздуха внутри структурной батареи во время процесса отверждения, одновременно улучшая механические свойства батареи.
Профессор Ким, ведущий исследователь, пояснил: «Мы предложили основу для проектирования твердых полимерных электролитов — основного материала для сверхтонких структурных батарей высокой жесткости — как с точки зрения материала, так и с точки зрения структуры».
«Эти структурные батареи на основе материалов могут служить внутренними компонентами в автомобилях, беспилотниках, самолетах и роботах, значительно продлевая время их работы от одной зарядки. Это представляет собой основополагающую технологию для многофункциональных приложений хранения энергии следующего поколения».
