Uspešno razvita večnamenska strukturna baterija iz ogljikovih vlaken! Pričakuje se povečanje obsega električnih vozil za 70 %.
Ko so avtomobili, letala, ladje ali računalniki izdelani iz materiala, ki lahko služi tako kot baterija kot kot nosilna konstrukcija, se bosta njihova teža in poraba energije znatno zmanjšali. Glede na članek, objavljen 10. v zadnji številkiNapredni materiali, je raziskovalna skupina tehnološke univerze Chalmers na Švedskem dosegla napredek pri "brezmasnem shranjevanju energije" in razvila večnamensko strukturno baterijo iz ogljikovih vlaken. Ta baterija bi lahko prepolovila težo prenosnikov, naredila pametne telefone tanjše kot kreditne kartice ali povečala doseg električnih vozil za 70 % z enim polnjenjem.
Ricardo Chaudhry, raziskovalec na tehnološki univerzi Chalmers, je izjavil, da je strukturna baterija, ki so jo razvili, izdelana iz kompozitov ogljikovih vlaken, s togostjo, primerljivo z aluminijem, in energijsko gostoto, ki je zadostna za komercialno uporabo. Strukturna baterija je material, ki lahko shranjuje energijo in prenaša obremenitve. Če so materiali za baterije sestavni del dejanske strukture izdelka, pomeni, da lahko izdelki, kot so električna vozila, droni, ročna orodja, prenosni računalniki in pametni telefoni, dosežejo manjšo težo.
Električna vozila so v veliki meri odvisna od velikih litij-ionskih baterij za potovanja na dolge razdalje. Raziskovalci s tehnološke univerze Chalmers so želeli ugotoviti, ali bi lahko ustvarili baterijo, ki služi kot nosilni material za držanje vozila skupaj, hkrati pa zmanjša težo. V okviru projekta "shranjevanja brezmasne energije" je švedska raziskovalna skupina razvila baterijo iz kompozitov ogljikovih vlaken. Ta baterija ima podobno trdoto kot aluminij in lahko shrani precejšnjo količino energije, zaradi česar je primerna za komercialno uporabo
Baterije iz ogljikovih vlaken naj bi shranjevale energijo in prenašale obremenitve podobno kot aluminijaste baterije.
Dejansko so ogljikova vlakna znana po svoji neverjetni lahki, visoki trdnosti in visoki togosti, zaradi česar so priljubljena izbira pri strukturnih in estetskih materialih visokozmogljivih vozil. Kljub visokim stroškom je tudi pomemben material v vesoljskih aplikacijah, kjer šteje vsak gram. Če pa je zasnovan z elektrokemijskim inženiringom za ta namen, lahko služi tudi kot učinkovit elektrodni material. Ekipa Chalmers, ki jo vodi profesor Leif Asp, že vrsto let raziskuje to področje in je leta 2018 objavila študijo, ki je prvič pokazala to lastnost ogljikovih vlaken s posebno razporeditvijo kristalov.
Raziskovalci Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry in profesor Leif Asp že vrsto let preučujejo koncept brezmasnega shranjevanja energije.
Energijska gostota nove zasnove baterije je 30 Wh/kg, kar po avtomobilskih standardih ni posebej veliko. Za referenco je nazivna energijska gostota baterije Hyundai Ioniq 6 s 53 kWh 153 Wh/kg (PDF). Vendar pa ta številka predstavlja samo energijsko gostoto baterije, ki je v škatli; za pošteno primerjavo je treba upoštevati tudi težo celotne konstrukcije vozila. Zasnova te strukturne baterije iz ogljikovih vlaken je namenjena zamenjavi celotne šasije, zmanjšanju skupne teže vozila in sprostitvi prostora.
Proizvajalci električnih vozil in opreme lahko izkoristijo to novo enačbo bodisi za znatno zmanjšanje teže izdelka bodisi izkoristijo sproščeni prostor za dodajanje več baterij, s čimer povečajo skupno zmogljivost shranjevanja energije.
Ti rezultati bi lahko bili v praksi revolucionarni. Asp je izjavil: "Izvedli smo izračune za električna vozila in rezultati kažejo, da če bi električna vozila sprejela konkurenčne strukturne baterije, bi lahko njihov čas vožnje podaljšali za 70 % v primerjavi s trenutnimi modeli."
Trdota najnovejšega prototipa ekipe je skoraj trikrat večja od prejšnjih iteracij, pri čemer se modul elastičnosti poveča s 25 GPa na 70 GPa. Ekipa trdi, da sta njegova trdota in nosilnost zdaj primerljivi z aluminijem, a je veliko lažji.
Ta zasnova baterije uporablja ogljikova vlakna v anodi in katodi, ki prav tako služi za ojačitev in prevajanje električne energije. Posledično ni potrebe po težkih materialih, kot je baker, za ustvarjanje odjemnikov toka, niti ni potrebe po uporabi konfliktnih kovin, kot je kobalt, v zasnovi elektrod.
Ta zasnova baterije uporablja materiale iz ogljikovih vlaken za anodo in katodo.
Poleg tega ta baterija uporablja poltrden elektrolit namesto tekočega elektrolita za olajšanje gibanja litijevih ionov med terminali. Posledično je manj vnetljiv in varnejši za uporabo – čeprav raziskovalna skupina priznava, da še vedno obstajajo izzivi pri omogočanju hitrega prehoda ionov skozi elektrolit, da bi zadostili zahtevam visokozmogljivih aplikacij. Na tem področju je potrebnih več raziskav.
Dejansko je to le še en laboratorijski prototip baterije, zato bo za razvoj teh električnih vozil in naprav naslednje generacije potrebno še nekaj let. Vendar pa obsežna proizvodnja in komercializacija že potekata. Že leta 2022 je univerza sodelovala s podjetjem tveganega kapitala Chalmers Ventures v Göteborgu, da bi ustanovila novo podjetje z imenom Sinonus. To podjetje je junija letos imenovalo novega izvršnega direktorja, da bi spodbudil komercializacijo brezmasnega shranjevanja energije, kar bi lahko spremenilo način izdelave avtomobilov, pripomočkov in celo lopatic vetrnih turbin.
Asp je izjavil: "Lahko si predstavljamo mobilne telefone, ki so tanki kot kreditna kartica, ali prenosne računalnike, ki tehtajo le polovico tega, kar imajo zdaj, ki so najbližji glede na časovno premico. Komponente, kot je elektronika v avtomobilih ali letalih, bi prav tako lahko poganjale strukturne To bo zahtevalo znatne naložbe za izpolnjevanje zahtevnih energetskih potreb transportne industrije, vendar ima lahko tehnologija največji vpliv."
