Last years have been characterized by an increasing interest into new technologies related to electric mobility, since the society is becoming more and more environmental-conscious. One of the major obstacles linked to electric mobility is the high weight of the batteries, that are crucial for the energy storage. Recently, a new conception of energy storage is gaining ground: it is the case of structural batteries, which are multifunctional systems able to store energy and carry load simultaneously; This way, lots of weight can be saved in order to achieve safer and more efficient vehicles. Structural batteries are electrochemical cells in which electrodes (and electrolyte, in case of all-solid-state batteries) are made from structural materials that typically are carbon fibers, graphite fibers etc. In this thesis, after a review of the state of art, a structural battery has been developed and tested. The exploited materials are described in detail within the chapters as long as the techniques used to create electrodes and separator. Moreover, a tool for coin battery testing without permanently packing it has been designed with SolidWorks and lathed in Politecnico di Milano DAER laboratory. All the experiments and results in terms of electrochemical performance has been reported and commented; in particular, tests of self-discharge, in-circuit discharges and charging-discharging cycles have been performed. Finally, according to obtained and expected results some application fields have been proposed.

In questi ultimi anni l’interesse verso lo sviluppo tecnologico nell’ambito della mobilità elettrica sta crescendo, grazie anche al pensiero collettivo che si mostra sempre più eco-friendly. In questo ambito il grande ostacolo da superare è relativo all’enorme peso aggiuntivo portato dalle batterie sui veicoli elettrici. Per questo motivo è nato il concetto di batteria strutturale, ovvero una batteria capace non solo di fungere da tale, ma allo stesso tempo di sopportare carichi ed essere quindi impiegate attivamente nella struttura portante con una conseguente riduzione del peso complessivo. Le batterie strutturali sono batterie i cui elettrodi sono formati da materiale strutturale, generalmente vengono impiegate fibre di carbonio, fibre di grafite ecc. In questo elaborato, dopo aver esaminato lo stato dell’arte, è riportata la procedura seguita per lo sviluppo e il test di funzionamento di una batteria strutturale. Vengono inoltre presentati i materiali e le tecniche di laboratorio utilizzate per creare i vari componenti della batteria. Un capitolo a parte è stato dedicato allo sv4iluppo e alla produzione di uno strumento atto a valutare le prestazioni della batteria senza il bisogno di doverla chiudere definitivamente in un involucro. Sono stati riportati i dati acquisiti relativi alle prestazioni della batteria in diverse tipologie di test quali autoscariche, cicli di carica-scarica e scariche con utilizzatore. Infine, in base ai risultati ottenuti e quelli aspettati, vengono proposti alcuni possibili utilizzi in campo aeronautico.

Preliminary design and testing of a structural battery for aerospace applications

Collura, Matteo;Arnoldi, Michela
2021/2022

Abstract

Last years have been characterized by an increasing interest into new technologies related to electric mobility, since the society is becoming more and more environmental-conscious. One of the major obstacles linked to electric mobility is the high weight of the batteries, that are crucial for the energy storage. Recently, a new conception of energy storage is gaining ground: it is the case of structural batteries, which are multifunctional systems able to store energy and carry load simultaneously; This way, lots of weight can be saved in order to achieve safer and more efficient vehicles. Structural batteries are electrochemical cells in which electrodes (and electrolyte, in case of all-solid-state batteries) are made from structural materials that typically are carbon fibers, graphite fibers etc. In this thesis, after a review of the state of art, a structural battery has been developed and tested. The exploited materials are described in detail within the chapters as long as the techniques used to create electrodes and separator. Moreover, a tool for coin battery testing without permanently packing it has been designed with SolidWorks and lathed in Politecnico di Milano DAER laboratory. All the experiments and results in terms of electrochemical performance has been reported and commented; in particular, tests of self-discharge, in-circuit discharges and charging-discharging cycles have been performed. Finally, according to obtained and expected results some application fields have been proposed.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2022
2021/2022
In questi ultimi anni l’interesse verso lo sviluppo tecnologico nell’ambito della mobilità elettrica sta crescendo, grazie anche al pensiero collettivo che si mostra sempre più eco-friendly. In questo ambito il grande ostacolo da superare è relativo all’enorme peso aggiuntivo portato dalle batterie sui veicoli elettrici. Per questo motivo è nato il concetto di batteria strutturale, ovvero una batteria capace non solo di fungere da tale, ma allo stesso tempo di sopportare carichi ed essere quindi impiegate attivamente nella struttura portante con una conseguente riduzione del peso complessivo. Le batterie strutturali sono batterie i cui elettrodi sono formati da materiale strutturale, generalmente vengono impiegate fibre di carbonio, fibre di grafite ecc. In questo elaborato, dopo aver esaminato lo stato dell’arte, è riportata la procedura seguita per lo sviluppo e il test di funzionamento di una batteria strutturale. Vengono inoltre presentati i materiali e le tecniche di laboratorio utilizzate per creare i vari componenti della batteria. Un capitolo a parte è stato dedicato allo sv4iluppo e alla produzione di uno strumento atto a valutare le prestazioni della batteria senza il bisogno di doverla chiudere definitivamente in un involucro. Sono stati riportati i dati acquisiti relativi alle prestazioni della batteria in diverse tipologie di test quali autoscariche, cicli di carica-scarica e scariche con utilizzatore. Infine, in base ai risultati ottenuti e quelli aspettati, vengono proposti alcuni possibili utilizzi in campo aeronautico.
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