تقوم شركة KIST بتطوير بطارية هيكلية جديدة مصنوعة من ألياف الكربون وتحتفظ بخصائص ميكانيكية استثنائية
في الآونة الأخيرة، قام مركز أبحاث الطاقة في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST) بتطوير هيكل بطارية مبتكر من مادة مركبة معززة بألياف الكربون يعمل على رفع كثافة الطاقة بشكل كبير مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية الفائقة.
تاريخيًا، تم إعاقة تسويق البطاريات تجاريًا بسبب انخفاض تكامل الأداء الميكانيكي والكهروكيميائي. ركزت الأبحاث السابقة في الغالب على دمج بطاريات الليثيوم أيون في المواد المركبة ذات الطبقات، مما أدى إلى تحسينات هامشية في كل من الخصائص الكهربائية والميكانيكية. وفي ضوء هذه التحديات، شرعت KIST في مبادرة بحثية رائدة.
قام الفريق في البداية بفحص آليات معالجة راتنجات الإيبوكسي بالتزامن مع السوائل الأيونية وإلكتروليتات البوليمر الصلبة القائمة على الكربونات (SPEs). وبعد ذلك، قاموا بتحسين عملية المعالجة من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة والضغط، مما أدى إلى تحسين أداء البطارية الهيكلية.
علاوة على ذلك، قدم الباحثون تقنية جديدة للقولبة بالضغط بمساعدة الفراغ لتصنيع البطاريات الهيكلية. تعمل هذه الطريقة على تقليل وجود الفقاعات والعيوب بشكل فعال، وبالتالي زيادة أداء البطارية.
وفي البطارية الهيكلية المطورة حديثًا، تمت زيادة النسبة الحجمية لألياف الكربون، التي تعمل كأقطاب كهربائية ومجمعات للتيار، بنسبة 160% على الأقل. وقد أدت هذه الزيادة الكبيرة في مساحة سطح القطب ومنطقة الاتصال مع المنحل بالكهرباء إلى تحسن ملحوظ في كثافة الطاقة. وفي الوقت نفسه، تم تعزيز الخواص الميكانيكية للبطارية بشكل كبير بسبب التأثير المعزز لألياف الكربون.
أجرى الباحثون تقييمات شاملة للأداء الكهروكيميائي والخصائص الميكانيكية للبطارية الهيكلية الجديدة. وكشفت النتائج أن البطارية تظهر كثافة طاقة عالية واستقرارًا جديرًا بالثناء في ركوب الدراجات؛ وحتى بعد دورات الشحن والتفريغ العديدة، يظل الاحتفاظ بقدرة البطارية كبيرًا. بالإضافة إلى ذلك، فهو يتميز بقوة شد وضغط استثنائية، مما يمكنه من تحمل قوى خارجية كبيرة دون التعرض للضرر.
تم الاهتمام أيضًا بمسألة تكوين الفقاعات الداخلية داخل البطاريات الهيكلية. من خلال إدارة درجة حرارة المعالجة والضغط بدقة، نجح الباحثون في تقليل كمية وحجم الفقاعات، مما أدى بدوره إلى تعزيز الموصلية الأيونية للبطارية والمتانة الميكانيكية.
علاوة على ذلك، قام الباحثون بدراسة تأثيرات أنواع مختلفة من ألياف الكربون ومجموعات الإلكتروليت على أداء البطاريات الهيكلية. أشارت النتائج إلى أن مجموعات معينة من ألياف الكربون والكهارل يمكن أن تزيد من تحسين أداء البطارية. تظهر أنواع معينة من ألياف الكربون موصلية كهربائية وقوة ميكانيكية محسنة، بينما تعرض بعض الإلكتروليتات موصلية أيونية محسنة واستقرارًا كيميائيًا. ومن خلال الاختيار الاستراتيجي لمجموعات ألياف الكربون والكهارل المناسبة، من الممكن زيادة كثافة الطاقة والخصائص الميكانيكية للبطاريات الهيكلية.
تقدم أبحاث KIST حلاً محتملاً للطاقة عالية الأداء لتطبيقات مثل المركبات الكهربائية، والمركبات الجوية بدون طيار، والروبوتات، مما يبشر بالخير لتطبيق واسع النطاق عبر مختلف القطاعات.
