باتری‌های ساختاری
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. مانند مثالی که در شکل ۱ نشان داده شده‌است.
کامپوزیتهای باتری ساختاری متعلق به کلاس جدیدی از کامپوزیتهای چند منظوره به نام کامپوزیتهای قدرت ساختاری هستند.این باتریها از کامپوزیتهای ساختاری با توانایی ذاتی در ذخیره انرژی الکتریکی تشکیل شده‌اند. مانند خازنهای ساختاری، ابر خازنها و باتریها. مقاله حاضر فقط به کامپوزیتهای باتری ساختاری می‌پردازد.
دو رویکرد مختلف برای دستیابی به عملکرد مکانیکی و الکتریکی ترکیبی در سازه‌ها وجود دارد. یک رویکرد افزودن ویژگیها به یک جزِء است. این کار به عنوان مثال در اثر تعبیه باتریهای لایه نازک در ورقه‌های کامپوزیت انجام می‌شود. اینها اساساً ساختارهای ساندویچی هستند. 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. ما از اینها به عنوان ساختارهای چند منظوره یاد می‌کنیم. رویکرد دوم ساخت یک ماده چند منظوره است که در آن هر سازنده چندین عملکرد را انجام می‌دهد.  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. کمبود سیستمهای الکترولیت پلیمری بسیار رسانا و سخت، تحقق کامپوزیتهای باتری ساختاری را با مشکل روبرو می‌کند. دوم، ضخامت لایه جدا کننده است. 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. ضخامت جداکننده باتریهای معمولی حدود ۲۰–۳۰ میکرو متر است. این بسیار نازک‌تر از ورقه‌های کامپوزیت معمولی است که به‌طور معمول ۱۰۰–۲۰۰ میکرومتر ضخامت دارند. برای غلبه بر این چالشها الکترولیتهای باتری ساختاری جدیدی تولید شده‌اند. یک روش برای توسعه الکترولیت ساختاری ابتدا توسط اسنایدر و همکارانش 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. شیرشوا به همراه همکارانش یک سیستم پلیمر-مایع یونی دو پیوسته را پیشنهاد کرد. 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. اینها به صورت شماتیک در شکل ۲ نشان داده شده.