左起：KAIST 教授 Seong Su Kim 和机械工程系的博士生 Sangyoon Bae 和 Su Hyun Lim。图片由 KAIST 提供

电池是绿色和清洁技术的核心，这些技术推动了汽车、移动和航空航天领域的发展。所有这些市场都需要高能量密度的储能和高承载能力。传统的结构电池技术难以同时增强这两种功能，而 KAIST 研究人员已经成功地开发了解决这一问题的基础技术。

由机械工程系 Seong Su Kim 教授领导的 KAIST 团队开发了一种薄、均匀、高密度、多功能的结构碳纤维复合材料电池，能够支撑据报道不会发生火灾的负载。多功能结构电池是指复合材料中每种材料同时充当承重结构和储能元件的能力。

储能复合材料

早期的结构电池涉及将商用锂离子电池嵌入分层复合材料中。这些电池的机械和电化学性能集成度低，导致材料加工、组装和设计优化方面的挑战，使商业化变得困难。

为了克服这些挑战，Kim 教授的团队探索了“储能复合材料”的概念，重点关注界面和固化性能，这在传统复合材料设计中至关重要。这导致了高密度多功能结构碳纤维复合电池的开发，可最大限度地提高多功能性。

 

储能碳纤维环氧树脂复合材料还可用作新电池设计概念中的结构构件。图片由 KAIST 提供。

该团队分析了环氧树脂的固化机制，环氧树脂以其强大的机械性能而闻名，与离子液体和碳酸盐电解质基固体聚合物电解质相结合。通过控制温度和压力，他们能够优化固化过程。

增强的电流密度

新开发的结构电池是通过真空压缩成型制造的，与以前的碳纤维电池相比，碳纤维（用作电极和集流体）的体积分数提高了 160% 以上。

这大大增加了电极和电解质之间的接触面积，从而产生了具有改进电化学性能的高密度结构电池。此外，该团队在固化过程中有效地控制了结构电池内的气泡，同时增强了电池的机械性能。

“我们提出了一个框架，用于从材料和结构角度设计固体聚合物电解质，固体聚合物电解质是高刚度、超薄结构电池的核心材料，”Kim 解释说。“这些基于材料的结构电池可以用作汽车、无人机、飞机和机器人的内部组件，一次充电即可显着延长其运行时间。这代表了下一代多功能能源的基础技术。

这项研究得到了韩国国家研究财团的中期职业研究人员计划和国家半导体研究实验室发展计划的支持。