左起：KAIST 教授 Seong Su Kim 和機械工程系的博士生 Sangyoon Bae 和 Su Hyun Lim。圖片由 KAIST 提供

電池是綠色和清潔技術的核心，這些技術推動了汽車、移動和航空航天領域的發展。所有這些市場都需要高能量密度的儲能和高承載能力。傳統的結構電池技術難以同時增強這兩種功能，而 KAIST 研究人員已經成功地開發了解決這一問題的基礎技術。

由機械工程系 Seong Su Kim 教授領導的 KAIST 團隊開發了一種薄、均勻、高密度、多功能的結構碳纖維復合材料電池，能夠支撐據報道不會發生火災的負載。多功能結構電池是指復合材料中每種材料同時充當承重結構和儲能元件的能力。

儲能復合材料

早期的結構電池涉及將商用鋰離子電池嵌入分層復合材料中。這些電池的機械和電化學性能集成度低，導致材料加工、組裝和設計優化方面的挑戰，使商業化變得困難。

為了克服這些挑戰，Kim 教授的團隊探索了“儲能復合材料”的概念，重點關注界面和固化性能，這在傳統復合材料設計中至關重要。這導致了高密度多功能結構碳纖維復合電池的開發，可最大限度地提高多功能性。

 

儲能碳纖維環氧樹脂復合材料還可用作新電池設計概念中的結構構件。圖片由 KAIST 提供。

該團隊分析了環氧樹脂的固化機制，環氧樹脂以其強大的機械性能而聞名，與離子液體和碳酸鹽電解質基固體聚合物電解質相結合。通過控制溫度和壓力，他們能夠優化固化過程。

增強的電流密度

新開發的結構電池是通過真空壓縮成型制造的，與以前的碳纖維電池相比，碳纖維（用作電極和集流體）的體積分數提高了 160% 以上。

這大大增加了電極和電解質之間的接觸面積，從而產生了具有改進電化學性能的高密度結構電池。此外，該團隊在固化過程中有效地控制了結構電池內的氣泡，同時增強了電池的機械性能。

“我們提出了一個框架，用于從材料和結構角度設計固體聚合物電解質，固體聚合物電解質是高剛度、超薄結構電池的核心材料，”Kim 解釋說。“這些基于材料的結構電池可以用作汽車、無人機、飛機和機器人的內部組件，一次充電即可顯著延長其運行時間。這代表了下一代多功能能源的基礎技術。

這項研究得到了韓國國家研究財團的中期職業研究人員計劃和國家半導體研究實驗室發展計劃的支持。