KIST opracowuje nowatorski akumulator konstrukcyjny z kompozytu włókna węglowego zachowujący wyjątkowe właściwości mechaniczne
Niedawno Centrum Badań nad Energią Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii (KIST) opracowało innowacyjną konstrukcję akumulatora z materiału kompozytowego wzmocnionego włóknem węglowym, która znacznie zwiększa gęstość energii przy jednoczesnym zachowaniu doskonałych właściwości mechanicznych.
Historycznie rzecz biorąc, komercjalizację akumulatorów utrudniał niski poziom integracji wydajności mechanicznej i elektrochemicznej. Wcześniejsze badania skupiały się głównie na integracji akumulatorów litowo-jonowych z warstwowymi materiałami kompozytowymi, co doprowadziło do marginalnej poprawy właściwości elektrycznych i mechanicznych. W świetle tych wyzwań KIST podjął pionierską inicjatywę badawczą.
Zespół początkowo zbadał mechanizmy utwardzania żywic epoksydowych w połączeniu z cieczami jonowymi i stałymi elektrolitami polimerowymi (SPE) na bazie węglanów. Następnie zoptymalizowali proces utwardzania, skrupulatnie kontrolując temperaturę i ciśnienie, co doprowadziło do poprawy wydajności konstrukcyjnej akumulatora.
Co więcej, badacze wprowadzili nowatorską technikę formowania tłocznego wspomaganego próżniowo do wytwarzania akumulatorów konstrukcyjnych. Metoda ta skutecznie minimalizuje obecność pęcherzyków i defektów, co dodatkowo zwiększa wydajność baterii.
W nowo opracowanym akumulatorze konstrukcyjnym udział objętościowy włókna węglowego, które służy zarówno jako elektrody, jak i odbieraki prądu, został zwiększony o co najmniej 160%. To znaczne zwiększenie powierzchni elektrody i powierzchni jej styku z elektrolitem spowodowało wyraźną poprawę gęstości energii. Jednocześnie właściwości mechaniczne akumulatora zostały znacznie poprawione dzięki wzmacniającemu działaniu włókien węglowych.
Naukowcy przeprowadzili kompleksową ocenę wydajności elektrochemicznej i właściwości mechanicznych nowatorskiej baterii strukturalnej. Odkrycia wykazały, że akumulator charakteryzuje się dużą gęstością energii i godną pochwały stabilnością cykliczną; nawet po licznych cyklach ładowania i rozładowania pojemność akumulatora pozostaje znaczna. Dodatkowo wykazuje wyjątkową wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie, dzięki czemu może wytrzymać znaczne siły zewnętrzne bez powodowania uszkodzeń.
Zwrócono także uwagę na kwestię powstawania pęcherzyków wewnętrznych w bateriach konstrukcyjnych. Precyzyjnie zarządzając temperaturą i ciśnieniem utwardzania, naukowcom udało się zmniejszyć ilość i rozmiar pęcherzyków, co z kolei poprawiło przewodność jonową i wytrzymałość mechaniczną akumulatora.
Ponadto badacze zbadali wpływ różnych rodzajów włókien węglowych i kombinacji elektrolitów na wydajność akumulatorów strukturalnych. Odkrycia wykazały, że określone kombinacje włókna węglowego i elektrolitu mogą dodatkowo zoptymalizować wydajność akumulatora. Niektóre rodzaje włókien węglowych wykazują zwiększoną przewodność elektryczną i wytrzymałość mechaniczną, podczas gdy niektóre elektrolity wykazują lepszą przewodność jonową i stabilność chemiczną. Strategicznie dobierając odpowiednie kombinacje włókna węglowego i elektrolitu, możliwe jest dalsze zwiększenie gęstości energii i właściwości mechanicznych akumulatorów strukturalnych.
Badania projektu KIST przedstawiają potencjalne, wysokowydajne rozwiązanie energetyczne do zastosowań takich jak pojazdy elektryczne, bezzałogowe statki powietrzne i robotyka, które może znaleźć szerokie zastosowanie w różnych sektorach.
