구조전지

Structural battery

구조용 배터리는 다기능 재료 또는 구조물로 기계적 무결성을 유지하면서 전기화학 에너지 저장 시스템(즉, 배터리)의 역할을 할 수 있다.[1][2]

그것들은 무게를 줄이는데 도움이 되고, 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 잠재력 때문에 전기 자동차와 드론과 같은 운송[3][4] 애플리케이션에 유용하다.[5] 두 가지 주요 구조 배터리의 유형을 구분할 수 있다: 내장 배터리와 적층 구조 전극.[6]

임베디드 배터리

임베디드 배터리는 리튬이온 배터리 셀이 복합 구조물에 효율적으로 내장되는 다기능 구조를 나타내며, 샌드위치 구조는 더 자주 사용된다. 샌드위치 디자인에서, 최첨단 리튬이온 배터리가 핵심 소재를 형성하여 두 개의 얇은 면 시트와 강한 면 시트(예: 알루미늄) 사이에 접합되어 있다. 면내 및 휨 하중은 면 시트로 운반되며, 배터리 코어는 전기 에너지를 저장할 뿐만 아니라 횡방향 전단 및 압축 하중을 차지한다. 그런 다음 다기능 구조물을 에너지 저장 재료뿐만 아니라 하중 지지 재료로도 사용할 수 있다.[7]

적층 구조 전극

적층 구조 전극에서 전극 재료는 내하력 및 에너지 저장 기능을 가지고 있다. 그러한 배터리의 예로는 아연 양극, 망간산화질소 음극 및 섬유/중합체 전해질을 기반으로 하는 배터리가 있다.[8] 구조용 전해액은 안정적인 충전 및 방전 성능을 가능하게 한다. 이 어셈블리는 무인 항공기에서 시연되었다. 일반적으로 제안되는 구조 배터리는 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 개념에 기초한다. 여기서 탄소섬유는 전극과 구조 보강의 역할을 동시에 한다. 라미나는 매트릭스 물질(예: 폴리머)에 내장된 탄소 섬유로 구성된다. 탄소섬유의 여러 층은 일반적으로 사용되는 빈니레스터나 에폭시 매트릭스와는 달리 섬유들 사이의 부하 전달은 물론 리튬이온 수송도 가능하게 하는 매트릭스로 함몰된다. 이러한 유형의 에너지 저장 시스템은 니켈이나[9] 리튬 이온 화학에 기초할 수 있다.[10] 라미네이트는 음극 전극, 분리기 및 양극 전극의 조합으로 만들어지며, 이온 전도성 및 구조 전해액에 내장된다. 적층 구조 전극 개념에서 탄소 섬유를 리튬 이온(구조 양극)과 같은 중간 보정에 사용할 수 있다. 마찬가지로 상업적으로 이용 가능한 흑연 양극에도 사용할 수 있다. 구조 음극은 전기 화학적으로 활성인 종(예: 리튬 산화물 입자)으로 코팅된 탄소 섬유로 구성된다. 구조용 배터리가 탄소 섬유 음극 전극과 리튬 철 인산염 양극 전극을 이용한 사례를 통해 LED 조명이 가능한 것으로 입증되었다.[11] 두 구조 전극 사이에 단락을 방지하기 위해 일부 분리기 재료가 사용된다.[12][13] 그러나 위에서 설명한 CFRC 개념은 여전히 연구되고 있다.[14]

참조

  1. ^ "Concept for a structural battery". ResearchGate. Retrieved 2020-08-04.
  2. ^ Johannisson, Wilhelm; Ihrner, Niklas; Zenkert, Dan; Johansson, Mats; Carlstedt, David; Asp, Leif E.; Sieland, Fabian (2018-11-10). "Multifunctional performance of a carbon fiber UD lamina electrode for structural batteries". Composites Science and Technology. ScienceDirect. 168: 81–87. doi:10.1016/j.compscitech.2018.08.044. Retrieved 2020-08-04.
  3. ^ Bradburn, David (12 February 2014). "Structural Batteries". Materials Today. Retrieved 30 January 2020.
  4. ^ "Study links carbon fibre microstructure to Lithium insertion mechanism in structural batteries". Green Car Congress. 18 October 2018.
  5. ^ "Structural batteries lighten drones' loads". Chemical & Engineering News. American Chemical Society. Retrieved 2020-08-04.
  6. ^ Asp, Leif (21 November 2019). "Structural battery composites: a review". Functional Composites and Structures. 1 (4): 42001. Bibcode:2019FCS.....1d2001A. doi:10.1088/2631-6331/ab5571.
  7. ^ Pereira, Tony (29 January 2009). "Energy Storage Structural Composites: a Review". Journal of Composite Materials. 43 (5): 549. Bibcode:2009JCoMa..43..549P. doi:10.1177/0021998308097682. S2CID 13864856.
  8. ^ Wang, Mingqiang (4 January 2019). "Biomimetic Solid-State Zn2+ Electrolyte for Corrugated Structural Batteries". ACS Nano. 13 (2): 1107–1115. doi:10.1021/acsnano.8b05068. PMID 30608112.
  9. ^ "BAE provides details of 'structural battery' technology". BBC. 8 March 2012. Retrieved 30 January 2020.
  10. ^ Asp, Leif (21 November 2019). "Structural battery composites: a review". Functional Composites and Structures. 1 (4): 42001. Bibcode:2019FCS.....1d2001A. doi:10.1088/2631-6331/ab5571.
  11. ^ Asp, Leif E.; Bouton, Karl; Carlstedt, David; Duan, Shanghong; Harnden, Ross; Johannisson, Wilhelm; Johansen, Marcus; Johansson, Mats K. G.; Lindbergh, Göran; Liu, Fang; Peuvot, Kevin (2021). "A Structural Battery and its Multifunctional Performance". Advanced Energy and Sustainability Research. 2 (3): 2000093. doi:10.1002/aesr.202000093. ISSN 2699-9412.
  12. ^ Asp, Leif (21 November 2019). "Structural battery composites: a review". Functional Composites and Structures. 1 (4): 42001. Bibcode:2019FCS.....1d2001A. doi:10.1088/2631-6331/ab5571.
  13. ^ Hurst, Nathan (2 November 2018). "Let's Build Cars Out of Batteries". Smithsonian Magazine. Retrieved 30 January 2020.
  14. ^ Bradburn, David (12 February 2014). "Structural Batteries". Materials Today. Retrieved 30 January 2020.