韩国开发出新型碳纤维复合结构电池，提供高能量密度
来源：量子风云  2024-12-02 16:10:49
本文阅读次数:542

原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-15245.html       韩国科学技术研究院（KIST）能源研究中心的研究人员开发了一种新型碳纤维复合结构电池，该电池可提供高能量密度，同时保持出色的机械性能。相关研究成果已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

       随着电动汽车（EV）、无人机和机器人等应用的快速发展，对具有高能量密度和出色机械性能的电池的需求日益增加。结构电池是一种将电池功能集成到结构组件中的技术，可以同时提供能量和结构支持，从而减轻重量并提高整体效率。然而，由于电池机械性能与电化学性能之间的集成度较低，材料加工、组装和设计优化面临挑战，因此难以商业化。

       早期的研究主要集中在将商用锂离子电池嵌入层状复合材料中，但这种方法在能量密度和机械性能方面的提升有限。为了克服这些限制，KIST的研究人员开发了一种新型碳纤维复合结构电池，该电池不仅具有高能量密度，还保持了出色的机械性能。
       研究人员首先分析了环氧树脂与离子液体和碳酸盐电解质基固体聚合物电解质（SPE）的固化机理。环氧树脂是一种常用的热固性聚合物，具有优异的机械性能和加工性能。离子液体和碳酸盐电解质则提供了电池所需的离子传导性。通过控制温度和压力，研究人员优化了固化过程，从而提高了结构电池的电化学性能和机械性能。

       在固化过程中，研究人员发现环氧树脂与离子液体和碳酸盐电解质之间的相互作用对电池性能具有重要影响。他们通过调整固化温度和压力，优化了这些相互作用，从而提高了电池的离子传导性和机械强度。此外，研究人员还采用了一种新的真空压缩成型技术来制造结构电池。这种技术可以在制造过程中有效地减少气泡和缺陷，进一步提高电池的机械性能和电化学性能。

       与传统的碳纤维电池相比，新型结构电池中的碳纤维（作为电极和集电器）的体积分数增加了160%以上。这一改进不仅提高了电池的电极面积，还增加了电极与电解液之间的接触面积，从而获得了高密度结构电池。由于电极面积的增加，电池可以容纳更多的活性物质，从而提高了能量密度。同时，由于碳纤维的增强作用，电池的机械性能也得到了显著提升。

       研究人员表示，通过优化固化过程和采用新的制造技术，他们成功地提高了结构电池的电化学性能和机械性能。新型结构电池在能量密度和机械强度方面均优于传统的碳纤维电池。此外，该电池还具有出色的循环稳定性和安全性，为电动汽车、无人机和机器人等应用提供了潜在的高性能能源解决方案。

       在实验中，研究人员对新型结构电池进行了电化学性能测试和机械性能测试。电化学性能测试结果表明，该电池具有高能量密度和良好的循环稳定性。在多次充放电循环后，电池的容量保持率仍然很高。机械性能测试则表明，该电池具有出色的抗拉伸和抗压缩性能，可以承受较大的外力作用而不发生破坏。
       除了电化学性能和机械性能外，研究人员还关注了结构电池内的气泡问题。气泡的存在会影响电池的离子传导性和机械性能，从而降低电池的整体性能。为了解决这个问题，研究人员在固化过程中采用了新的技术来减少气泡的产生。他们发现，通过精确控制固化温度和压力，可以有效地减少气泡的数量和大小，从而提高电池的离子传导性和机械强度。

       此外，研究人员还探索了不同碳纤维类型和电解质组合对结构电池性能的影响。他们发现，使用不同类型的碳纤维和电解质组合可以进一步优化电池的性能。例如，某些类型的碳纤维具有更高的导电性和机械强度，而某些电解质则具有更好的离子传导性和化学稳定性。通过选择合适的碳纤维和电解质组合，可以进一步提高结构电池的能量密度和机械性能。

       在电动汽车领域，新型结构电池的高能量密度和机械性能可以显著提高电动汽车的续航里程和安全性。由于电池重量的减轻和机械强度的提高，电动汽车可以搭载更多的电池组，从而增加续航里程。同时，由于电池具有出色的循环稳定性和安全性，电动汽车的可靠性和耐用性也得到了提升。

       在无人机领域，新型结构电池的高能量密度和轻量化特性可以延长无人机的飞行时间。由于电池重量的减轻和能量密度的提高，无人机可以搭载更多的传感器和载荷，从而执行更复杂的任务。此外，由于电池具有出色的机械性能和安全性，无人机的飞行稳定性和可靠性也得到了保障。

       在机器人领域，新型结构电池的高能量密度和机械性能可以支持机器人的长时间运行和高强度作业。由于电池具有出色的循环稳定性和安全性，机器人可以在各种复杂环境中稳定运行，完成各种任务。此外，由于电池的重量轻且机械强度高，机器人可以更加灵活和高效地移动和操作。

       研究人员指出，尽管新型结构电池在电化学性能和机械性能方面取得了显著进展，但仍存在一些挑战需要克服。例如，如何进一步提高电池的能量密度和降低成本是未来的研究方向之一。此外，还需要探索更多的碳纤维类型和电解质组合来优化电池的性能。同时，为了提高电池的循环稳定性和安全性，还需要深入研究电池的失效机制和防护措施。

       展望未来，研究人员计划继续优化新型结构电池的设计和制造工艺，以提高其能量密度、降低成本并提高循环稳定性。他们还将探索更多的应用场景和市场机会，以推动该技术的商业化和产业化进程。此外，他们还将与其他研究机构和企业合作，共同推动结构电池技术的发展和创新。

       总之，KIST研究人员开发的新型碳纤维复合结构电池具有高能量密度和出色的机械性能，为电动汽车、无人机和机器人等应用提供了潜在的高性能能源解决方案。通过优化固化过程和采用新的制造技术，研究人员成功地提高了结构电池的电化学性能和机械性能，并解决了气泡问题。未来，随着技术的不断发展和优化，新型结构电池有望在更多领域得到广泛应用和推广。研究人员首先分析了环氧树脂与离子液体和碳酸盐电解质基固体聚合物电解质（SPE）的固化机理。环氧树脂是一种常用的热固性聚合物，具有优异的机械性能和加工性能。离子液体和碳酸盐电解质则提供了电池所需的离子传导性。通过控制温度和压力，研究人员优化了固化过程，从而提高了结构电池的电化学性能和机械性能。
文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-15245.html