KIST kehittää uusia hiilikuitukomposiittirakenteisia akkuja, jotka säilyttävät poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet
Äskettäin Korean tiede- ja teknologiainstituutin (KIST) energiatutkimuskeskus on kehittänyt innovatiivisen hiilikuituvahvisteisen komposiittimateriaaliakun rakenteen, joka nostaa merkittävästi energiatiheyttä säilyttäen samalla erinomaiset mekaaniset ominaisuudet.
Historiallisesti akkujen kaupallistamista on estänyt mekaanisen ja sähkökemiallisen suorituskyvyn alhainen integrointi. Aikaisempi tutkimus on keskittynyt pääasiassa litiumioniakkujen integroimiseen kerrostettuihin komposiittimateriaaleihin, mikä on johtanut marginaalisiin parannuksiin sekä sähköisissä että mekaanisissa ominaisuuksissa. Näiden haasteiden valossa KIST on aloittanut uraauurtavan tutkimushankkeen.
Ryhmä tarkasti epoksihartsien kovettumismekanismeja yhdessä ionisten nesteiden ja karbonaattipohjaisten kiinteiden polymeerielektrolyyttien (SPE) kanssa. Myöhemmin he optimoivat kovetusprosessin säätelemällä huolellisesti lämpötilaa ja painetta, mikä johti parempaan rakenteelliseen akun suorituskykyyn.
Lisäksi tutkijat ovat ottaneet käyttöön uuden tyhjiöavusteisen puristusmuovaustekniikan rakenneakkujen valmistukseen. Tämä menetelmä minimoi tehokkaasti kuplien ja vikojen esiintymisen, mikä parantaa akun suorituskykyä entisestään.
Uudessa rakenneakussa sekä elektrodeina että virrankeräilijöinä toimivan hiilikuidun tilavuusosuutta on lisätty vähintään 160 %. Tämä elektrodin pinta-alan ja sen kosketuspinta-alan elektrolyytin kanssa merkittävä kasvu on johtanut energiatiheyden huomattavaan parantumiseen. Samalla akun mekaaniset ominaisuudet ovat vahvistuneet merkittävästi hiilikuitujen vahvistavan vaikutuksen ansiosta.
Tutkijat suorittivat kattavat sähkökemiallisen suorituskyvyn ja mekaanisten ominaisuuksien arvioinnit uudelle rakenteelliselle akulle. Tulokset paljastivat, että akulla on korkea energiatiheys ja kiitettävä pyöräilyvakaus; jopa lukuisten lataus-purkausjaksojen jälkeen akun kapasiteetin säilyvyys pysyy huomattavana. Lisäksi se osoittaa poikkeuksellista veto- ja puristuslujuutta, minkä ansiosta se kestää merkittäviä ulkoisia voimia vaurioittamatta.
Huomiota kiinnitettiin myös rakenteellisten akkujen sisäisten kuplien muodostumiseen. Hallitsemalla tarkasti kovettumislämpötilaa ja -painetta tutkijat ovat onnistuneesti vähentäneet kuplien määrää ja kokoa, mikä puolestaan on parantanut akun ioninjohtavuutta ja mekaanista kestävyyttä.
Lisäksi tutkijat tutkivat erilaisten hiilikuitutyyppien ja elektrolyyttiyhdistelmien vaikutuksia rakenneakkujen suorituskykyyn. Tulokset osoittivat, että tietyt hiilikuitu- ja elektrolyyttiyhdistelmät voivat edelleen optimoida akun suorituskykyä. Tietyillä hiilikuitutyypeillä on parantunut sähkönjohtavuus ja mekaaninen lujuus, kun taas tietyillä elektrolyyteillä on parantunut ioninjohtavuus ja kemiallinen stabiilisuus. Valitsemalla strategisesti sopivat hiilikuitu- ja elektrolyyttiyhdistelmät on mahdollista lisätä rakenteellisten akkujen energiatiheyttä ja mekaanisia ominaisuuksia entisestään.
KIST:n tutkimus esittelee potentiaalisen korkean suorituskyvyn energiaratkaisun sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin, miehittämättömiin ilma-aluksiin ja robotiikkaan.
