Široko rasprostranjeno usvajanje električnih vozila u velikoj meri se oslanja na razvoj robusnih tehnologija baterija koje se brzo pune koje mogu da podrže njihov kontinuirani rad tokom dugog vremenskog perioda. Jedno predloženo rešenje za skladištenje energije za poboljšanje izdržljivosti električnih vozila podrazumeva upotrebu takozvanih strukturnih baterija.
Strukturne baterije su baterije koje mogu služiti u dve svrhe, delujući i kao strukturne komponente vozila i kao rešenje za skladištenje energije. Umesto da budu spoljne komponente koje se dodaju elektronskom ili električnom uređaju, ove baterije se na taj način direktno ugrađuju u strukturu.
Istraživači sa Univerziteta u Šangaju i njihovi saradnici nedavno su osmislili obećavajuću strategiju za proizvodnju strukturalnih baterija visokih performansi sa prilagodljivim geometrijskim konfiguracijama. Njihova strategija, prikazana u radu objavljenom u časopisu Composites Science and Technology, omogućava 3D štampanje strukturnih litijum-jonskih baterija za različite geometrijske konfiguracije.
„Ova studija ima za cilj da dizajnira integrisano skladište energije i nosivu strukturu sa visokim kapacitetom nosivosti i velikim skladištem energije“, rekao je Jinhua Bao, korespondentni autor rada, za Tech Ksplore.
„U smislu projektovanja strukturalnog skladišta energije, nauka o materijalima se uglavnom fokusira na sintezu i korišćenje materijala, kao i na sekundarni dizajn komponenti za skladištenje energije.
„Na primer, mogu se koristiti okviri od ugljeničnih vlakana ili okviri od staklenih vlakana, a mogu se napraviti modifikacije na elektrodama baterije, separatorima ili elektrolitima kako bi se poboljšale performanse nosivosti strukturalnog skladišta energije.
Uprkos njihovim potencijalnim prednostima, utvrđeno je da mnoga ranije proizvedena rešenja za strukturalno skladištenje energije imaju značajna ograničenja. To uključuje relativno niske gustine energije i loše performanse elektro-mehaničkog ciklusa.
Kao deo svoje studije, Bao i njegove kolege su krenuli u proizvodnju strukturalnih baterija sa boljim performansama koristeći skalabilnu strategiju proizvodnje. Oni su posebno istražili mogućnost proizvodnje ovih baterija pomoću 3D štampanja, koje se sada široko koristi za proizvodnju različitih proizvoda i elektronskih komponenti.
„Upotrebom 3D štampanja, cilj nam je da kreiramo prilagodljive strukturne okvire koji, kada se kombinuju sa materijalima za skladištenje energije, formiraju komponente sa integrisanim skladištenjem energije i funkcijama nosivosti, sa visokom gustinom energije i kapacitetom nosivosti“, rekao je Bao.
„Konstrukcijski okvir je namenjen da igra primarnu ulogu nosivosti, minimizirajući ili smanjujući oštećenje materijala za skladištenje energije tokom nosivosti, čime se obezbeđuje odličan kapacitet skladištenja energije.“
Strukturni okvir koji su uveli Bao i njegove kolege mogao bi da se prilagodi kako bi omogućio 3D štampanje strukturnih baterija za različite primene, koje sežu dalje od električnih vozila. U stvari, može se koristiti i za proizvodnju strukturalnih komponenti za skladištenje energije za specifične autonomne robote i skladišna logistička vozila.
Strategija 3D štampanja koju su osmislili istraživači fokusira se na dva ključna aspekta strukturnih litijum-jonskih baterija. To su jedinica za skladištenje energije i strukturni okvir.
„Projektovanjem odvojene strukture moguće je efikasno smanjiti deformaciju jedinice za skladištenje energije pod opterećenjem, čime se poboljšava mehanička stabilnost baterije“, objasnio je Bao.
„Koristimo tehnologiju 3D štampanja za kreiranje okvira, jer omogućava brzu proizvodnju i preciznu kontrolu strukturnih komponenti. Izabrali smo elektrodne materijale i elektrolite visokih performansi kako bismo dodatno poboljšali gustinu energije i životni vek baterije.“
Bao i njegove kolege su takođe simulirali oštećenje jedinice za skladištenje energije pod opterećenjem koristeći softver konačnih elemenata. Ovo im je omogućilo da optimizuju strukturni dizajn baterija kako bi ograničili predviđenu štetu.
„Takođe usvajamo distribuirani raspored ćelija baterije kako bismo sprečili nedostatak ukupnog kvara zbog lokalizovanog oštećenja“, rekao je Bao. „Naši testovi pokazuju da je usvajanjem pristupa dizajna odvojenih strukturnih baterija moguće postići strukturne baterije sa visokom gustinom energije i kapacitetom nosivosti, kao i mehano-elektrohemijskom robusnošću. Štaviše, tehnologija 3D štampanja omogućava kreiranje prilagodljivih strukturnih baterije“.
Istraživači su koristili svoj predloženi pristup za proizvodnju kompozitnog strukturalnog uzorka baterije. U početnim testovima, utvrđeno je da ova baterija izdrži značajno opterećenje na zatezanje i savijanje, dok takođe pokazuje visoku gustinu energije od 120 Vh kg -1 i 210 Vh L -1 (3,5 mA cm -2).
Primetno je da je baterija zadržala do 92% svog kapaciteta nakon 500 radnih ciklusa. Takođe je zadržao 98,7% svog kapaciteta pod zateznim naponom od 80 MPa i 97% svog kapaciteta pod naponom savijanja od 96,3 MPa, gubeći približno 0,18% svog kapaciteta po radnom ciklusu.
„U praktičnim primenama, različiti izbori materijala mogu se napraviti za različite komponente, a upotreba simulacija metoda konačnih elemenata u scenarijima iz stvarnog sveta može optimizovati konstrukcijski dizajn“, rekao je Bao. „Naš pristup na taj način omogućava proizvodnju odvojenih strukturnih baterija koje se primenjuju u različitim slučajevima upotrebe.
U budućnosti, strategija proizvodnje zasnovana na 3D štampanju koju je uveo ovaj tim istraživača mogla bi da olakša proizvodnju velikih razmera komponenti strukturalnih skladištenja energije visokih performansi za širok spektar primena. To bi moglo uključivati velike i stabilne strukturne baterije za električna vozila, kao i baterije manjeg obima za robotske sisteme.
„Sledeći korak u našem istraživanju biće istraživanje primene odvojenih strukturnih baterija, kao što su bespilotne letelice (UAV) i roboti“, dodao je Bao. „Učinićemo ga pouzdanijim promenom materijala konstrukcijskih okvira.“
