Strukturbatterien werden in Branchen wie umweltfreundliche, energiebasierte Automobile, Mobilität und Luft- und Raumfahrt eingesetzt und müssen gleichzeitig die Anforderungen einer hohen Energiedichte für die Energiespeicherung und einer hohen Tragfähigkeit erfüllen. Herkömmliche strukturelle Batterietechnologie hat sich schwer getan, beide Funktionen gleichzeitig zu verbessern. Den Forschern des KAIST ist es jedoch gelungen, eine grundlegende Technologie zu entwickeln, um dieses Problem zu lösen. Das KAIST (vertreten durch Präsident Kwang Hyung Lee) gab bekannt, dass das Team von Professor Seong Su Kim vom Fachbereich Maschinenbau eine dünne, einheitliche, hochdichte, multifunktionale Strukturbatterie aus Kohlefaserverbundwerkstoffen entwickelt hat, die belastbar ist, kein Brandrisiko birgt und eine hohe Energiedichte aufweist.
Alte Vorgehensweisen verbessern
Bei frühen strukturellen Batterien wurden handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien in geschichtete Verbundwerkstoffe eingebettet. Diese Batterien litten unter einer geringen Integration ihrer mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften, was zu Herausforderungen bei der Materialverarbeitung, dem Zusammenbau und der Designoptimierung führte und die Kommerzialisierung erschwerte.
Um diese Probleme zu überwinden, erforschte das Team von Professor Kim das Konzept der „energiespeichernden Verbundwerkstoffe“ und konzentrierte sich dabei auf die Grenzflächen- und Aushärtungseigenschaften, die bei der herkömmlichen Konstruktion von Verbundwerkstoffen entscheidend sind. Dies führte zur Entwicklung von hochdichten, multifunktionalen strukturellen Kohlenstofffaserverbundbatterien, die die Multifunktionalität erhöhen.
Das Team analysierte die Aushärtungsmechanismen von Epoxidharz, das für seine starken mechanischen Eigenschaften bekannt ist, in Kombination mit festen Polymerelektrolyten auf der Basis von ionischen Flüssigkeiten und Karbonat-Elektrolyten. Durch die Steuerung von Temperatur und Druck konnten sie den Aushärtungsprozess verbessern.
Mehr Kpntaktfläche bei erhöhter Leistung
Die neu entwickelte Strukturbatterie wurde im Vakuumpressverfahren hergestellt, wodurch der Volumenanteil der Kohlenstofffasern, die sowohl als Elektroden als auch als Stromsammler dienen, im Vergleich zu früheren Batterien auf Kohlenstofffaserbasis um über 160 Prozent erhöht wurde. Dadurch wurde die Kontaktfläche zwischen Elektroden und Elektrolyten erheblich vergrößert, was zu einer hochdichten Strukturbatterie mit verbesserter elektrochemischer Leistung führte. Darüber hinaus gelang es dem Team, die Luftblasen in der Strukturbatterie während des Aushärtungsprozesses zu kontrollieren und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften der Batterie zu verbessern.
Professor Seong Su Kim, der leitende Forscher, erklärte: „Wir haben einen Rahmen für die Entwicklung von festen Polymerelektrolyten vorgeschlagen, einem Kernmaterial für hochsteife, ultradünne Strukturbatterien, sowohl aus materieller als auch aus struktureller Sicht. Diese materialbasierten Strukturbatterien können als interne Komponenten in Autos, Drohnen, Flugzeugen und Robotern eingesetzt werden und deren Betriebszeit mit einer einzigen Ladung erheblich verlängern. Dies stellt eine grundlegende Technologie für multifunktionale Energiespeicheranwendungen der nächsten Generation dar.“
Mohamad A. Raja, ein Master-Absolvent des Fachbereichs Maschinenbau des KAIST, war als Erstautor an dieser Forschungsarbeit beteiligt. Diese Forschung wurde durch das Mid-Career Researcher Program der National Research Foundation of Korea und das National Semiconductor Research Laboratory Development Program unterstützt.
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