1724065121
2024-08-19 10:50:01
クレジット: Composites Science and Technology (2024)。DOI: 10.1016/j.compscitech.2024.110783
電気自動車の普及は、長期間の連続運転をサポートできる堅牢で急速充電可能なバッテリー技術の開発に大きく依存しています。電気自動車の耐久性を向上させるために提案されているエネルギー貯蔵ソリューションの 1 つは、いわゆる構造バッテリーの使用です。
構造用バッテリーは、車両の構造部品としてだけでなく、 エネルギー貯蔵 ソリューション。これらのバッテリーは、電子機器や電気機器に追加される外部コンポーネントではなく、構造に直接埋め込まれます。
上海大学の研究者らとその協力者は最近、カスタマイズ可能な幾何学的構成を持つ高性能の構造電池を製造する有望な戦略を考案した。 紙 Composites Science and Technology 誌に掲載されたこの研究により、さまざまな幾何学的構成の構造用リチウムイオン電池の 3D プリントが可能になります。
「この研究は、高い耐荷重性を備えた統合エネルギー貯蔵および耐荷重構造を設計することを目的としている。 容量 「これは、高エネルギー貯蔵を可能にする」と、論文の責任著者であるYinhua Bao氏はTech Xploreに語った。
「構造的エネルギー貯蔵の設計に関しては、 材料科学 主に材料の合成と利用、およびエネルギー貯蔵用コンポーネントの二次設計に重点を置いています。
「例えば、炭素繊維フレームワークやガラス繊維フレームワークを利用したり、バッテリー電極、セパレーター、電解質に変更を加えて、構造エネルギー貯蔵の耐荷重性能を向上させることができます。」
潜在的な利点があるにもかかわらず、これまで製造された構造的エネルギー貯蔵ソリューションの多くには、大きな制限があることがわかりました。これには、比較的低いエネルギー密度と、電気機械サイクル性能の低さが含まれます。
研究の一環として、バオ氏と彼の同僚は、スケーラブルな製造戦略を使用して、より高性能な構造バッテリーを製造することに着手しました。彼らは特に、現在さまざまな製品や電子部品の製造に広く使用されている 3D プリントを使用してこれらのバッテリーを製造する可能性を探りました。
「3Dプリントを活用することで、カスタマイズ可能な構造フレームワークを作成し、エネルギー貯蔵材料と組み合わせることで、エネルギー貯蔵と荷重支持機能を統合したコンポーネントを形成し、高いエネルギー密度と荷重支持能力を特徴とすることを目指しています」とバオ氏は述べた。
「構造フレームワークは主な荷重支持の役割を果たすことを目的としており、荷重支持中のエネルギー貯蔵材料への損傷を最小限に抑えるか軽減し、それによって優れたエネルギー貯蔵容量を確保します。」
バオ氏らが導入した構造フレームワークは、電気自動車にとどまらず、さまざまな用途の構造バッテリーの 3D プリントを可能にするために応用できる可能性があります。実際、特定の自律ロボットや倉庫物流車両用の構造エネルギー貯蔵コンポーネントの製造にも使用できます。
研究者らが考案した 3D プリント戦略は、構造的リチウムイオン電池の 2 つの重要な側面、つまりエネルギー貯蔵ユニットと構造フレームワークに重点を置いています。
「分離構造を設計することで、負荷がかかった状態でのエネルギー貯蔵ユニットの変形を効果的に低減し、バッテリーの機械的安定性を向上させることができます」とバオ氏は説明した。
「私たちは3Dを活用しています 印刷技術 「フレームワークの作成には、構造部品の迅速な製造と正確な制御を可能にする技術を採用しました。バッテリーのエネルギー密度とサイクル寿命をさらに向上させるために、高性能の電極材料と電解質を選択しました。」
バオ氏と彼の同僚は、有限要素ソフトウェアを使用して、負荷がかかったエネルギー貯蔵ユニットの損傷もシミュレーションしました。これにより、バッテリーの構造設計を最適化し、予測される損傷を制限することができました。
「また、局所的な損傷による全体的な故障の欠点を防ぐために、バッテリーセルの分散配置を採用しています」とバオ氏は述べた。「私たちのテストでは、分離構造バッテリー設計アプローチを採用することで、高いエネルギー密度と耐荷重性、および機械電気化学的堅牢性の両方を備えた構造バッテリーを実現できることが実証されています。さらに、3Dプリント技術により、カスタマイズ可能な構造バッテリーの作成が可能になります。」
研究者らは、提案した手法を使用して複合構造バッテリーサンプルを製造しました。初期テストでは、このバッテリーは大きな引張応力と曲げ応力に耐えると同時に、120Wh kg-1および210 Wh L-1（3.5mA cm-2）という高いエネルギー密度を示すことが確認されました。
特に、 バッテリー 500 回の動作サイクル後も最大 92% の容量を維持することが確認されました。また、80 MPa の引張応力下では 98.7% の容量を維持し、96.3 MPa の曲げ応力下では 97% の容量を維持し、動作サイクルごとに約 0.18% の容量が失われました。
「実際のアプリケーションでは、異なるコンポーネントに異なる材料を選択でき、現実のシナリオで有限要素法シミュレーションを使用することで、構造設計を最適化できます」とバオ氏は述べました。「したがって、私たちのアプローチにより、さまざまなユースケースに適用できる分離構造バッテリーの製造が可能になります。」
将来的には、この研究チームが導入した 3D プリントベースの製造戦略により、幅広い用途の高性能な構造エネルギー貯蔵コンポーネントの大規模生産が可能になります。これには、電気自動車用の高容量で安定した構造バッテリーや、ロボット システム用の小規模バッテリーなどが含まれます。
「私たちの研究の次のステップは、無人航空機（UAV）やロボットなどの分離構造バッテリーの応用を研究することです」とバオ氏は付け加えた。「構造フレームワークの材料を変更することで、信頼性を高めるつもりです。」
詳細情報:
Xu Ma 他「安定したサイクル性と機械的堅牢性を備えたカスタマイズ可能な 3D プリント分離構造リチウムイオン電池」Composites Science and Technology (2024)。 DOI: 10.1016/j.compscitech.2024.110783
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引用: 安定性、堅牢性、カスタマイズ性に優れた 3D プリント分離構造リチウムイオン電池 (2024 年 8 月 19 日) 2024 年 8 月 19 日に https://techxplore.com/news/2024-08-3d-decoupled-lithium-ion-batteries.html から取得
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