KIST sviluppa una nuova batteria strutturale composita in fibra di carbonio che mantiene proprietà meccaniche eccezionali
Recentemente, il Centro di ricerca energetica presso il Korea Institute of Science and Technology (KIST) ha sviluppato un’innovativa struttura della batteria in materiale composito rinforzato con fibra di carbonio che aumenta significativamente la densità di energia pur mantenendo proprietà meccaniche superiori.
Storicamente, la commercializzazione delle batterie è stata ostacolata dalla scarsa integrazione delle prestazioni meccaniche ed elettrochimiche. La ricerca precedente si è concentrata prevalentemente sull’integrazione delle batterie agli ioni di litio in materiali compositi stratificati, con conseguenti miglioramenti marginali nelle caratteristiche elettriche e meccaniche. Alla luce di queste sfide, KIST ha intrapreso un’iniziativa di ricerca pionieristica.
Il team ha inizialmente esaminato attentamente i meccanismi di polimerizzazione delle resine epossidiche in combinazione con liquidi ionici ed elettroliti polimerici solidi (SPE) a base di carbonato. Successivamente, hanno ottimizzato il processo di indurimento controllando meticolosamente la temperatura e la pressione, il che ha portato a un miglioramento delle prestazioni strutturali della batteria.
Inoltre, i ricercatori hanno introdotto una nuova tecnica di stampaggio a compressione assistita dal vuoto per la fabbricazione di batterie strutturali. Questo metodo riduce al minimo efficacemente la presenza di bolle e difetti, aumentando così ulteriormente le prestazioni della batteria.
Nella batteria strutturale di nuova concezione, la proporzione volumetrica della fibra di carbonio, che funge sia da elettrodi che da collettori di corrente, è stata aumentata almeno del 160%. Questo aumento sostanziale dell'area superficiale dell'elettrodo e della sua area di contatto con l'elettrolita ha portato ad un netto miglioramento della densità di energia. Allo stesso tempo, le proprietà meccaniche della batteria sono state notevolmente migliorate grazie all’effetto rinforzante delle fibre di carbonio.
I ricercatori hanno condotto valutazioni complete delle prestazioni elettrochimiche e delle proprietà meccaniche della nuova batteria strutturale. I risultati hanno rivelato che la batteria presenta un’elevata densità di energia e un’encomiabile stabilità ciclica; anche dopo numerosi cicli di carica-scarica, la capacità di conservazione della batteria rimane notevole. Inoltre, dimostra un'eccezionale resistenza alla trazione e alla compressione, consentendogli di resistere a notevoli forze esterne senza subire danni.
È stata prestata attenzione anche al problema della formazione di bolle interne all'interno delle batterie strutturali. Gestendo con precisione la temperatura e la pressione di polimerizzazione, i ricercatori sono riusciti a ridurre la quantità e la dimensione delle bolle, il che a sua volta ha migliorato la conduttività ionica e la robustezza meccanica della batteria.
Inoltre, i ricercatori hanno studiato gli effetti di vari tipi di fibra di carbonio e combinazioni di elettroliti sulle prestazioni delle batterie strutturali. I risultati hanno indicato che specifiche combinazioni di fibra di carbonio ed elettrolita possono ottimizzare ulteriormente le prestazioni della batteria. Alcuni tipi di fibra di carbonio mostrano una conduttività elettrica e una resistenza meccanica migliorate, mentre alcuni elettroliti mostrano una conduttività ionica e una stabilità chimica migliorate. Selezionando strategicamente le combinazioni appropriate di fibra di carbonio ed elettrolita, è possibile aumentare ulteriormente la densità energetica e le proprietà meccaniche delle batterie strutturali.
La ricerca del KIST presenta una potenziale soluzione energetica ad alte prestazioni per applicazioni quali veicoli elettrici, veicoli aerei senza equipaggio e robotica, promettendo un'ampia applicazione in vari settori.
