Multifunktionelt kulfiber strukturelt batteri udviklet med succes! Forventes at øge rækkevidden af elbiler med 70 %.
Når biler, fly, skibe eller computere er lavet af et materiale, der både kan fungere som batteri og bærende struktur, vil deres vægt og energiforbrug blive væsentligt reduceret. Ifølge et papir offentliggjort den 10. i det seneste nummer afAvancerede materialer, har et forskerhold fra Chalmers Tekniske Universitet i Sverige gjort fremskridt inden for "masseløs energilagring" og udviklet et multifunktionelt kulfiber-strukturbatteri. Dette batteri kan halvere vægten af bærbare computere, gøre smartphones lige så tynde som kreditkort eller øge rækkevidden af elektriske køretøjer med 70 % på en enkelt opladning.
Ricardo Chaudhry, en forsker ved Chalmers University of Technology, udtalte, at det strukturelle batteri, de udviklede, er lavet af kulfiberkompositter, med stivhed sammenlignelig med aluminium og tilstrækkelig energitæthed til kommerciel anvendelse. Et strukturelt batteri er et materiale, der både kan lagre energi og bære belastninger. At gøre batterimaterialer til en integreret del af produktets faktiske struktur betyder, at produkter som elektriske køretøjer, droner, håndholdte værktøjer, bærbare computere og smartphones kan opnå reduceret vægt.
Elektriske køretøjer er i høj grad afhængige af store lithium-ion-batterier til langdistancerejser. Forskere ved Chalmers Teknologiske Universitet ville se, om de kunne skabe et batteri, der fungerer som et lastbærende materiale til at holde køretøjet sammen og samtidig reducere vægten. Som en del af projektet "masseløs energilagring" udviklede det svenske forskerhold et batteri lavet af kulfiberkompositter. Dette batteri har en hårdhed svarende til aluminium og kan lagre en betydelig mængde energi, hvilket gør det velegnet til kommerciel brug
Kulfiberbatterier forventes at lagre energi og understøtte belastninger på samme måde som aluminiumsbatterier.
Faktisk er kulfiber kendt for sin utrolige letvægt, høje styrke og høje stivhed, hvilket gør det til et populært valg i de strukturelle og æstetiske materialer i højtydende køretøjer. På trods af dets høje omkostninger er det også et kritisk materiale i rumfartsapplikationer, hvor hvert gram tæller. Men hvis den er designet med elektrokemisk teknik til dette formål, kan den også tjene som et effektivt elektrodemateriale. Ledet af professor Leif Asp har Chalmers-teamet forsket i dette område i mange år og publicerede en undersøgelse i 2018, der først demonstrerede denne egenskab ved kulfibre med et specifikt krystalarrangement.
Forskerne Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry og professor Leif Asp har studeret konceptet med masseløs energilagring i mange år.
Energitætheden i det nye batteridesign er 30 Wh/kg, hvilket efter bilstandarder ikke er specielt højt. Til reference er den nominelle energitæthed for Hyundai Ioniq 6's 53 kWh batteripakke 153 Wh/kg (PDF). Denne figur repræsenterer dog kun energitætheden af batteripakken, der er anbragt i en kasse; for en rimelig sammenligning skal vægten af hele køretøjets struktur også tages i betragtning. Designet af dette strukturelle kulfiberbatteri har til formål at erstatte hele chassiset, hvilket reducerer køretøjets samlede vægt, samtidig med at der frigøres plads.
Fabrikanter af elektriske køretøjer og udstyr kan udnytte denne nye ligning til enten at reducere produktvægten væsentligt eller bruge den frigjorte plads til at tilføje flere batterier og derved forbedre den samlede energilagringskapacitet.
Disse resultater kan være revolutionerende i praksis. Asp udtalte: "Vi udførte beregninger på elektriske køretøjer, og resultaterne indikerer, at hvis elektriske køretøjer anvendte konkurrencedygtige strukturelle batterier, kunne deres køretid forlænges med 70% sammenlignet med nuværende modeller."
Hårdheden af holdets seneste prototype er næsten tre gange højere end tidligere iterationer, hvor elasticitetsmodulet stiger fra 25 GPa til 70 GPa. Holdet hævder, at dets hårdhed og bæreevne nu kan sammenlignes med aluminium, men det er meget lettere.
Dette batteridesign bruger kulfiber i både anoden og katoden, som også tjener til at forstærke og lede elektricitet. Som et resultat er der ikke behov for tunge materialer som kobber til at skabe strømaftagere, og der er heller ikke et krav om at bruge konfliktmetaller som kobolt i elektrodedesignet.
Dette batteridesign bruger kulfibermaterialer til både anoden og katoden.
Derudover anvender dette batteri en halvfast elektrolyt i stedet for en flydende elektrolyt for at lette bevægelsen af lithiumioner mellem terminalerne. Som et resultat er det mindre brandfarligt og sikrere at bruge - selvom forskerholdet erkender, at der stadig er udfordringer med at lade ioner passere hurtigt gennem elektrolytten for at opfylde kravene til højeffektapplikationer. Der er behov for mere forskning på dette område.
Faktisk er dette blot endnu et laboratorieprototypebatteri, så disse næste generations elektriske køretøjer og enheder vil tage flere år at udvikle. Produktion og kommercialisering i stor skala er dog allerede i gang. Allerede i 2022 gik universitetet sammen med venturekapitalfirmaet Chalmers Ventures i Gøteborg om at etablere en ny virksomhed kaldet Sinonus. Dette firma udnævnte en ny administrerende direktør i juni i år til at drive kommercialiseringen af masseløs energilagring, som kan ændre den måde, vi fremstiller biler, gadgets og endda vindmøllevinger på.
Asp udtalte: "Vi kan forestille os, at mobiltelefoner, der er lige så tynde som et kreditkort, eller bærbare computere, der kun vejer halvdelen af, hvad de gør nu, er tættest på med hensyn til tidslinje. Komponenter såsom elektronik i biler eller fly kan også være drevet af strukturelle Dette vil kræve betydelige investeringer for at imødekomme transportindustriens udfordrende energibehov, men det er her, teknologien kan have størst effekt."
