Η KIST αναπτύσσει νέα σύνθετη δομική μπαταρία από ίνες άνθρακα που διατηρεί εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες
Πρόσφατα, το Ερευνητικό Κέντρο Ενέργειας στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κορέας (KIST) ανέπτυξε μια καινοτόμο δομή μπαταρίας από σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα που αυξάνει σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα διατηρώντας παράλληλα ανώτερες μηχανικές ιδιότητες.
Ιστορικά, η εμπορευματοποίηση των μπαταριών έχει παρεμποδιστεί από τη χαμηλή ενσωμάτωση της μηχανικής και ηλεκτροχημικής απόδοσης. Η προηγούμενη έρευνα είχε επικεντρωθεί κυρίως στην ενσωμάτωση μπαταριών ιόντων λιθίου σε πολυεπίπεδα σύνθετα υλικά, με αποτέλεσμα οριακές βελτιώσεις τόσο στα ηλεκτρικά όσο και στα μηχανικά χαρακτηριστικά. Υπό το φως αυτών των προκλήσεων, το KIST έχει ξεκινήσει μια πρωτοποριακή ερευνητική πρωτοβουλία.
Η ομάδα εξέτασε αρχικά τους μηχανισμούς σκλήρυνσης των εποξειδικών ρητινών σε συνδυασμό με ιοντικά υγρά και στερεούς πολυμερείς ηλεκτρολύτες με βάση ανθρακικά (SPEs). Στη συνέχεια, βελτιστοποίησαν τη διαδικασία σκλήρυνσης ελέγχοντας σχολαστικά τη θερμοκρασία και την πίεση, γεγονός που οδήγησε σε βελτιωμένη δομική απόδοση της μπαταρίας.
Επιπλέον, οι ερευνητές εισήγαγαν μια νέα τεχνική χύτευσης συμπίεσης με τη βοήθεια κενού για την κατασκευή δομικών μπαταριών. Αυτή η μέθοδος ελαχιστοποιεί αποτελεσματικά την παρουσία φυσαλίδων και ελαττωμάτων, αυξάνοντας έτσι περαιτέρω την απόδοση της μπαταρίας.
Στη δομική μπαταρία που αναπτύχθηκε πρόσφατα, η ογκομετρική αναλογία ινών άνθρακα, η οποία χρησιμεύει τόσο ως ηλεκτρόδια όσο και ως συλλέκτες ρεύματος, έχει αυξηθεί κατά τουλάχιστον 160%. Αυτή η ουσιαστική αύξηση στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και στην περιοχή επαφής του με τον ηλεκτρολύτη είχε ως αποτέλεσμα μια αξιοσημείωτη βελτίωση στην ενεργειακή πυκνότητα. Ταυτόχρονα, οι μηχανικές ιδιότητες της μπαταρίας έχουν ενισχυθεί σημαντικά λόγω της ενισχυτικής επίδρασης των ινών άνθρακα.
Οι ερευνητές διεξήγαγαν εκτενείς εκτιμήσεις ηλεκτροχημικών επιδόσεων και μηχανικών ιδιοτήτων στη νέα δομική μπαταρία. Τα ευρήματα αποκάλυψαν ότι η μπαταρία παρουσιάζει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και αξιέπαινη σταθερότητα στον κύκλο. Ακόμη και μετά από πολλούς κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, η διατήρηση της χωρητικότητας της μπαταρίας παραμένει σημαντική. Επιπλέον, επιδεικνύει εξαιρετική αντοχή σε εφελκυσμό και θλίψη, επιτρέποντάς του να αντέχει σε σημαντικές εξωτερικές δυνάμεις χωρίς να υποστεί ζημιά.
Δόθηκε επίσης προσοχή στο θέμα του σχηματισμού εσωτερικών φυσαλίδων εντός των δομικών μπαταριών. Με τη διαχείριση ακριβώς της θερμοκρασίας και της πίεσης σκλήρυνσης, οι ερευνητές μείωσαν επιτυχώς την ποσότητα και το μέγεθος των φυσαλίδων, γεγονός που με τη σειρά του έχει ενισχύσει την ιοντική αγωγιμότητα και τη μηχανική στιβαρότητα της μπαταρίας.
Επιπλέον, οι ερευνητές ερεύνησαν τις επιπτώσεις διαφόρων τύπων ανθρακονημάτων και συνδυασμών ηλεκτρολυτών στην απόδοση των δομικών μπαταριών. Τα ευρήματα έδειξαν ότι συγκεκριμένοι συνδυασμοί ινών άνθρακα και ηλεκτρολυτών μπορούν να βελτιστοποιήσουν περαιτέρω την απόδοση της μπαταρίας. Ορισμένοι τύποι ανθρακονημάτων παρουσιάζουν ενισχυμένη ηλεκτρική αγωγιμότητα και μηχανική αντοχή, ενώ ορισμένοι ηλεκτρολύτες εμφανίζουν βελτιωμένη ιοντική αγωγιμότητα και χημική σταθερότητα. Επιλέγοντας στρατηγικά τους κατάλληλους συνδυασμούς ινών άνθρακα και ηλεκτρολυτών, είναι δυνατό να αυξηθεί περαιτέρω η ενεργειακή πυκνότητα και οι μηχανικές ιδιότητες των δομικών μπαταριών.
Η έρευνα του KIST παρουσιάζει μια πιθανή ενεργειακή λύση υψηλής απόδοσης για εφαρμογές όπως ηλεκτρικά οχήματα, μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα και ρομποτική, υπόσχεται ευρεία εφαρμογή σε διάφορους τομείς.
