Nowa bateria strukturalna opracowana przez Uniwersytet Chalmersa mogłaby drastycznie zmniejszyć masę urządzeń elektronicznych i pojazdów, łącząc możliwości przenoszenia obciążenia i magazynowania energii, oferując skok w zakresie wydajności i potencjału projektowego.
Gdyby pojazdy lub urządzenia elektroniczne zostały zbudowane z materiału, który spełnia zarówno funkcję akumulatora, jak i konstrukcji nośnej, waga i zużycie energii uległyby radykalnemu zmniejszeniu. Teraz badacze z Politechnika Chalmers osiągnęli przełom w bezmasowym magazynowaniu energii dzięki nowej baterii strukturalnej, która może zmniejszyć o połowę wagę laptopa, sprawić, że telefon komórkowy będzie tak cienki jak karta kredytowa i zwiększyć zasięg samochodu elektrycznego nawet o 70 procent na jednym ładowaniu opłata.
Postęp w technologii akumulatorów strukturalnych
„Udało nam się stworzyć akumulator wykonany z kompozytu włókna węglowego, który jest tak sztywny jak aluminium i wystarczająco gęsty energetycznie, aby można go było używać komercyjnie. Podobnie jak ludzki szkielet, bateria spełnia jednocześnie kilka funkcji” – mówi Richa Chaudhary, badaczka Chalmers, która jest pierwszą autorką artykułu naukowego opublikowanego niedawno w czasopiśmie Zaawansowane materiały.
Postęp i potencjał baterii strukturalnych
Badania nad akumulatorami strukturalnymi trwają od wielu lat w Chalmers, a na niektórych etapach także wspólnie z badaczami z Królewskiego Instytutu Technologicznego KTH w Sztokholmie w Szwecji. Kiedy profesor Leif Asp i współpracownicy opublikował swoje pierwsze wyniki w 2018 roku odkrycie, jak sztywne i mocne włókna węglowe mogą chemicznie magazynować energię elektryczną, odkrycie to przyciągnęło ogromną uwagę. Wiadomość, że włókno węglowe może pełnić funkcję elektrod w akumulatorach litowo-jonowych, rozeszła się szeroko, a osiągnięcie to zostało uznane za jedno z dziesięciu największych przełomów roku przez prestiżowy magazyn Physics World.
Zwiększanie wydajności pojazdów elektrycznych za pomocą akumulatorów strukturalnych
Od tego czasu grupa badawcza dalej rozwijała swoją koncepcję zwiększania zarówno sztywności, jak i gęstości energii. Poprzedni kamień milowy został osiągnięty w 2021 r gdy akumulator miał gęstość energii 24 watogodzin na kilogram (Wh/kg), co oznacza w przybliżeniu 20 procent pojemności porównywalnego akumulatora litowo-jonowego. Teraz jest to aż do 30 Wh/kg. Chociaż jest to wciąż mniej niż w przypadku dzisiejszych akumulatorów, warunki są zupełnie inne. Gdy akumulator stanowi część konstrukcji i może być również wykonany z lekkiego materiału, całkowita masa pojazdu jest znacznie zmniejszona. Wtedy na przykład do uruchomienia samochodu elektrycznego nie potrzeba aż tak dużo energii.
Przyszłość lekkiego i energooszczędnego transportu
„Inwestowanie w lekkie i energooszczędne pojazdy jest rzeczą oczywistą, jeśli chcemy oszczędzać energię i myśleć o przyszłych pokoleniach. Dokonaliśmy obliczeń dotyczących samochodów elektrycznych, które pokazują, że mogłyby jeździć nawet o 70 procent dłużej niż obecnie, gdyby miały konkurencyjne akumulatory strukturalne” – mówi kierownik badań Leif Asp, profesor na Wydziale Nauk Przemysłowych i Materiałowych w Chalmers.
Wielofunkcyjne właściwości nowych baterii strukturalnych
Jeśli chodzi o pojazdy, istnieją oczywiście wysokie wymagania dotyczące konstrukcji, która musi być wystarczająco wytrzymała, aby spełniać wymogi bezpieczeństwa. Tam strukturalne ogniwo akumulatorowe zespołu badawczego znacznie zwiększyło swoją sztywność, a dokładniej moduł sprężystości mierzony w gigapaskalach (GPa), z 25 do 70. Oznacza to, że materiał może przenosić obciążenia równie dobrze jak aluminium, ale z niższą wagą.
„Pod względem wielofunkcyjności nowy akumulator jest dwukrotnie lepszy od swojego poprzednika – i właściwie najlepszy, jaki kiedykolwiek wyprodukowano na świecie” – mówi Leif Asp, który od 2007 roku prowadzi badania nad akumulatorami strukturalnymi.
Kroki w kierunku komercjalizacji baterii strukturalnych
Od początku celem było osiągnięcie wydajności umożliwiającej komercjalizację technologii. Równolegle z kontynuacją badań, wzmocniono powiązanie z rynkiem – poprzez nowo utworzoną spółkę Chalmers Venture Sinonus AB z siedzibą w Borås w Szwecji.
Jednakże pozostaje jeszcze wiele pracy inżynieryjnej do wykonania, zanim ogniwa akumulatorowe przejdą etap od produkcji laboratoryjnej na małą skalę do produkcji na dużą skalę dla naszych gadżetów technologicznych lub pojazdów.
„Można sobie wyobrazić, że telefony komórkowe i laptopy cienkie jak karta kredytowa, ważące o połowę mniej niż obecnie, są najbliżej czasu. Może się również zdarzyć, że podzespoły takie jak elektronika w samochodach lub samolotach będą zasilane z akumulatorów strukturalnych. Zaspokojenie ambitnych potrzeb energetycznych branży transportowej będzie wymagało dużych inwestycji, ale technologia może mieć największe znaczenie także w tym przypadku” – mówi Leif Asp, który zauważył duże zainteresowanie ze strony branży motoryzacyjnej i lotniczej.
Więcej na temat: Baterie badawcze i strukturalne
Baterie strukturalne to materiały, które oprócz magazynowania energii mogą przenosić obciążenia. W ten sposób materiał baterii może stać się częścią faktycznego materiału konstrukcyjnego produktu, co oznacza, że można uzyskać znacznie niższą wagę na przykład w samochodach elektrycznych, dronach, narzędziach ręcznych, laptopach i telefonach komórkowych.
Opracowana koncepcja akumulatora opiera się na materiale kompozytowym i wykorzystuje włókno węglowe jako elektrodę dodatnią i ujemną, przy czym elektroda dodatnia jest pokryta fosforanem litowo-żelazowym. Kiedy prezentowano poprzednią koncepcję akumulatora, rdzeń elektrody dodatniej był wykonany z folii aluminiowej.
Włókno węglowe użyte w materiale elektrody jest wielofunkcyjne. W anodzie pełni rolę wzmocnienia, a także kolektora elektrycznego i materiału aktywnego. W katodzie działa jako wzmocnienie, kolektor prądu i rusztowanie, na którym lit może budować. Ponieważ włókno węglowe przewodzi prąd elektronowy, zapotrzebowanie na kolektory prądu wykonane z miedzi lub aluminium (na przykład) jest zmniejszone, co jeszcze bardziej zmniejsza całkowitą masę. W wybranej konstrukcji elektrody nie są wymagane żadne tak zwane metale konfliktowe, takie jak kobalt czy mangan.
W akumulatorze jony litu są transportowane między zaciskami akumulatora za pośrednictwem półstałego elektrolitu, a nie ciekłego, co jest trudne, jeśli chodzi o uzyskanie dużej mocy i w tym celu potrzebne są dalsze badania. Jednocześnie konstrukcja przyczynia się do zwiększenia bezpieczeństwa ogniwa akumulatorowego poprzez zmniejszenie ryzyka pożaru.
Odniesienie: „Odsłonięcie wielofunkcyjnej baterii strukturalnej z włókna węglowego” autorstwa Richa Chaudhary, Johanny Xu, Zhenyuan Xia i Leifa E. Aspa, 10 września 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202409725
Badania zostały sfinansowane w ramach programu Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE).
