موضوع مقاله: باتری‌های ساختاری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # باتری‌های ساختاری | مقدمه: مقدمه این مقاله اشاره می‌کند به گونه جدیدی از کامپوزیتهای سبک‌وزن چند کاربردی که توانایی کاهش وزن خودرو و راحت تر کردن برق رسانی برای حمل ونقل در آینده را دارند. | ## بخش 1: باتری‌های ساختاری | تمرکز بر فعالیتهایی است که توسط یک تیم چند رشته‌ای در سوئیس، برای مورد بررسی قرار دادن باتریهای ساختاری کامپوزیتی که از پلیمرهای تقویت شدهٔ فیبر کربن ساخته شده‌اند انجام شده‌است. معرفی نیاز به گسترش حمل و نقل هوایی و زمینی امن تر، سبزتر و با قابلیت رقابت بیشتر به عنوان اهمیتی بحرانی، اجتماعی و تجاری شناخته می‌شود. در حمل و نقل جاده ای، برق رسانی به حمل ونقل و جا به جایی شهری به فوری‌ترین موضوع مورد بررسی در تحقیقات تبدیل شده‌است. به علاوه، ایده خودروهای سبز، نیاز به مواد سبک پیشرفته برای طراحی خودروهای سبک برقی آینده را برجسته می‌کند. تحقیق دربارهٔ باتریهای ساختاری کامپوزیتی در این زمینه، با هدف هموارتر کردن مسیر رسیدن به ذخیره کننده‌های انرژِی بی وزن در ساختار خودروهای آینده انجام شده‌است. این امر با تحقق یافتن مواد کامپوزیتی سبک چند کاربردی که توانایی تحمل بار مکانیکی و ذخیره کردن انرژِی الکتریکی به صورت همزمان را دارند به وقوع خواهد پیوست. این مواد امکان صرفه جویی در وزن را برای وسایل نقلیهٔ هیبریدی و برقی آینده فراهم می‌کنند و توانایی تولید وسایل نقلیه بسیار کم مصرف و بدون انتشار (مانند انتشار گازهای گلخانه ای و گازهای مضر دیگر) از دوچرخه گرفته تا خودروها و قایقها تاهواپیماها را مهیّا می‌کنند. 101 41–61این باتریها از کامپوزیتهای ساختاری با توانایی ذاتی در ذخیره انرژی الکتریکی تشکیل شده‌اند. دو رویکرد مختلف برای دستیابی به عملکرد مکانیکی و الکتریکی ترکیبی در سازه‌ها وجود دارد. این کار به عنوان مثال در اثر تعبیه باتریهای لایه نازک در ورقه‌های کامپوزیت انجام می‌شود. Power Sources 414 517–29 چنین دستگاه‌هایی به مواد تشکیل دهنده چند منظوره متکی نیستند بلکه بیشتر مونتاژ اجزای سازنده (یعنی ورقهای کامپوزیت، هسته فوم و باتری لایه نازک) هستند. 1 010201 در چنین کامپوزیتهای باتری ساختاری، الیاف کربن به عنوان تقویت کننده و الکترود عمل می‌کنند و پلیمر به عنوان ماتریس و الکترولیت عمل می‌کند. این مقاله فقط بر روی مواد چند منظوره، یعنی مواد ترکیبی باتری ساختاری تمرکز دارد. طرحهای اولیه ساخت باتری متکی به یک ساختار چند لایه بود که در آن دو لایه الکترود توسط یک لایه عایق الکتریکی (جدا کننده) از هم جدا شده بودند. این طراحی، انتخابی بدیهی است چرا که ساختاری رایج برای لمینیتهای کامپوزیتی و باتریهای مرسوم است. امّا طراحی چند لایه تعدادی چالش مهم ایجاد می‌کند که باید رفع شوند تا به یک باتری ساختاری عملی منجر شود. یکی از این چالشها، رسانایی یونی و ویژگیهای مکانیکی ترکیب الکترولیت و ماتریس است. | ## بخش 2: باتری‌های ساختاری | کمبود سیستمهای الکترولیت پلیمری بسیار رسانا و سخت، تحقق کامپوزیتهای باتری ساختاری را با مشکل روبرو می‌کند. لایه‌های جدا کننده ضخیم به‌طور قابل توجهی قدرت و چگالی انرژی کامپوزیت باتری ساختاری را کاهش می‌دهد و مقاومتهای داخلی باعث اتلاف انرژی زیادی می‌شود. این بسیار نازک‌تر از ورقه‌های کامپوزیت معمولی است که به‌طور معمول ۱۰۰–۲۰۰ میکرومتر ضخامت دارند. 19 3793–801 با استفاده از سیستمهای الکترولیت بلوک کوپلیمر به عنوان ماتریس کامپوزیت پیشنهاد شد. اینها شامل یک مونومر پیوند عرضی به عنوان تقویت کننده ساختاری و یک مونومر غنی از اکسید اتیلن (EO) به عنوان تقویت کننده انتشار پلیمر هستند. یک روش جایگزین برای ابر خازنهای ساختاری نیز برای کامپوزیتهای ساختاری باتری در نظر گرفته شده‌است. در چنین سیستمهایی ساختار پلیمر توخالی بارهای مکانیکی را منتقل می‌کند و مایع یونها را در کانالهای توخالی خود منتشر می‌کند. با استفاده از این روشها، الکترولیتهای ساختاری با سختی تا 1 GPa و هدایت یونی بیش از 10−4 S cm−1 تحقق یافته‌اند. با توجه به ویژگیهای چند منظوره الکترولیتهای ساختاری موجود، دو طرح مختلف باتری ساختاری تکامل یافته‌است: الگوی ساختمانی باتری ساختاری چند لایه و الگوی ساختمانی الیاف سه بعدی. الیاف کربن، عاملی مهم در کامپوزیتهای باتری ساختاری الیاف کربن به عنوان الکترودهای منفی در کامپوزیتهای باتری ساختاری برای تحقق کامپوزیتهای باتری ساختاری، الیاف کربن باید به‌طور همزمان دو عملکرد را انجام دهند: بارهای مکانیکی را حمل کنند و به عنوان یک الکترود فعال باتری عمل کنند. در مورد دوم، الیاف کربن باید بتوانند یونها را در نانو-ساختار الیاف خود ذخیره کنند. این زمانی است که یونها (در حالت مورد بررسی ما یونهای لیتیوم) در هنگام شارژ به الیاف وارد می‌شوند و هنگام تخلیه از آن خارج می‌شوند، در حالت مورد بررسی ما نیز به ترتیب لیتیاژ و دلیتیاژ را نشان می‌دهد. در یک سلول باتری کامل، یونهای لیتیوم در هنگام شارژ به الکترود منفی کربن وارد شده یا لیتیاژ می‌شوند و در هنگام تخلیه از آن خارج یا دلیتیاژ می‌شوند. آیا می‌توان فیبر کربن را لیتیزه کرد و لیتیوم را به عنوان الکترود باتری ذخیره کرد؟ از آنجا که لیتیوم در میکرو-ساختار فیبر فضا را اشغال می‌کند چه اتفاقی برای فیبر رخ می و آیا این بر خصوصیات مکانیکی فیبر تأثیر می‌گذارد؟ خواص مکانیکی الیاف کربن الیاف کربن شاید بهترین خصوصیات مکانیکی خاص را در بین تمام مواد مورد استفاده تجاری در ساختارهای با کارایی بالا داشته باشد. الیاف مبتنی بر PAN امروزه بیشترین الیاف کربن هستند که مورد استفاده قرار می‌گیرند و دارای طیف گسترده‌ای از کیفیت هستند. | ## بخش 3: باتری‌های ساختاری | بر اساس پارامترهای مقدماتی و فرایند، ریزساختار آنها می‌تواند به میزان قابل توجهی متنوع باشد، خصوصاً با توجه به اندازه و جهت کریستالیت. الیافی که در محدوده پایین سختی (و با مقاومت بالا) هستند، الیاف HS (مقاومت بالا) یا HT (سختی بالا) نامیده می‌شوند. این الیاف دارای محتوای گرافیتی کمتری هستند و بلورهای کوچک دارند و کریستالهای آنها جهت‌گیری زیادی ندارند. الیاف با مدول متوسط (IM) که مدولی در حدود 300-400 GPa دارند، هم محتوای گرافیتی بالاتری دارند و هم تا حدودی بلورهای بزرگ‌تر دارند و هم این بلورها جهت‌گیری بیشتری دارند. همچنین الیاف با مدول فوق‌العاده زیاد مبتنی بر PAN وجود دارد که در دماهای بسیار بالا گرافیتی می‌شوند، محتوای گرافیتی بالا، جهت‌گیری بالا و مدول بیش از 500 GPa را دارند. 160 A1473–81 انجام شده‌است، ظرفیت بالای الیاف کربن مبتنی بر PAN را تأیید می‌کنند، به عنوان مثال الیاف IMS65 و T800. نه تنها چگالی اجزای سازنده مواد کامپوزیتی کم است، بلکه این ترکیبات توانایی استثنایی در انجام دو عملکرد حیاتی برای وزن سبک را نیز نشان می‌دهند. همچنین الیاف کربن دارای مشخصات الکتروشیمیایی استثنایی، با ظرفیت خاص بسیار بالا و کارایی کولنبیک هستند. ثانیاً، الکترولیتهای باتری ساختاری اکنون در دسترس هستند که می‌توانند بارهای مکانیکی را به‌طور مؤثر منتقل کرده و یونهای لیتیوم را جابه‌جا کنند. با بیان این مطلب، هنوز تحقیقات کمی در مورد نحوه طراحی و ساخت الکترودهای ساختاری مثبت انجام شده‌است. به‌طور مشابه، فقط چند تلاش برای ساختن سلولهای باتری ساختاری تاکنون گزارش شده‌است. سرانجام، با توجه به مشکل ترمومکانیکی-الکتروشیمیایی همراه، رویکردهای مدل‌سازی جدید در حال توسعه است. تجزیه و تحلیل عملکرد چند منظوره با چنین ابزارهایی به یک پایگاه داده گسترده وابسته است، که در حال حاضر موجود نیست. در این مقاله ما مروری داریم بر تحقیقات انجام شده بر روی کامپوزیتهای باتری ساخاری تا به امروز. با این حال، قبل از اینکه کامپوزیتهای باتری ساختاری راه حلی برای ذخیره انرژی کم وزن در حمل و نقل برقی جاده ای، هوایی و دریایی آینده ارائه دهند، کار قابل توجهی در مورد سلول کامل باتری ساختاری و اعتبار سنجی و تولید آن باقی مانده‌است. | ## جمع‌بندی | تا به امروز، هیچ متوقف کننده ای برای تحقق کامپوزیتهای باتری ساختاری مشخص نشده‌است.