Višenamjenska strukturna baterija od karbonskih vlakana uspješno razvijena! Očekuje se povećanje dometa električnih vozila za 70%.
Kada se automobili, zrakoplovi, brodovi ili računala izrađuju od materijala koji može poslužiti i kao baterija i kao nosiva konstrukcija, njihova težina i potrošnja energije značajno će se smanjiti. Prema radu objavljenom 10. u posljednjem broju časopisaNapredni materijali, istraživački tim sa Tehnološkog sveučilišta Chalmers u Švedskoj postigao je napredak u "skladištu energije bez mase" i razvio višenamjensku strukturnu bateriju od karbonskih vlakana. Ova bi baterija mogla prepoloviti težinu prijenosnih računala, pametne telefone učiniti tankima poput kreditnih kartica ili povećati domet električnih vozila za 70% s jednim punjenjem.
Ricardo Chaudhry, istraživač na Tehnološkom sveučilištu Chalmers, izjavio je da je strukturna baterija koju su razvili napravljena od kompozita ugljičnih vlakana, s krutošću usporedivom s aluminijem i gustoćom energije dovoljnom za komercijalnu primjenu. Strukturna baterija je materijal koji može i pohraniti energiju i podnijeti opterećenja. Učiniti baterijske materijale sastavnim dijelom stvarne strukture proizvoda znači da proizvodi poput električnih vozila, dronova, ručnih alata, prijenosnih računala i pametnih telefona mogu postići smanjenu težinu.
Električna vozila uvelike ovise o velikim litij-ionskim baterijama za putovanja na velike udaljenosti. Istraživači s Tehnološkog sveučilišta Chalmers željeli su vidjeti mogu li stvoriti bateriju koja služi kao nosivi materijal za držanje vozila zajedno, a istovremeno smanjuje težinu. U sklopu projekta "skladištenje energije bez mase", švedski istraživački tim razvio je bateriju izrađenu od kompozita ugljičnih vlakana. Ova baterija ima tvrdoću sličnu aluminiju i može pohraniti značajnu količinu energije, što je čini prikladnom za komercijalnu upotrebu
Očekuje se da će baterije od karbonskih vlakana skladištiti energiju i podržavati opterećenja slično aluminijskim baterijama.
Doista, ugljična vlakna su poznata po svojoj nevjerojatnoj laganosti, velikoj čvrstoći i velikoj krutosti, što ih čini popularnim izborom u strukturnim i estetskim materijalima za vozila visokih performansi. Unatoč visokoj cijeni, također je važan materijal u primjenama u zrakoplovstvu, gdje se svaki gram računa. Međutim, ako je dizajniran s elektrokemijskim inženjeringom za ovu svrhu, također može poslužiti kao učinkovit materijal za elektrode. Predvođen profesorom Leifom Aspom, Chalmersov tim godinama istražuje ovo područje i objavio je studiju 2018. koja je prvi pokazala ovo svojstvo karbonskih vlakana sa specifičnim rasporedom kristala.
Istraživači Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry i profesor Leif Asp godinama su proučavali koncept skladištenja energije bez mase.
Gustoća energije novog dizajna baterije je 30 Wh/kg, što prema automobilskim standardima nije osobito visoko. Za referencu, nazivna gustoća energije baterije Hyundai Ioniq 6 od 53 kWh je 153 Wh/kg (PDF). Međutim, ova brojka predstavlja samo gustoću energije baterije smještene u kutiji; radi poštene usporedbe, mora se uzeti u obzir i težina cijele konstrukcije vozila. Dizajn ove strukturalne baterije od karbonskih vlakana ima za cilj zamijeniti cijelu šasiju, smanjujući ukupnu težinu vozila uz oslobađanje prostora.
Proizvođači električnih vozila i opreme mogu iskoristiti ovu novu jednadžbu kako bi značajno smanjili težinu proizvoda ili iskoristili oslobođeni prostor za dodavanje više baterija, čime se povećava ukupni kapacitet pohrane energije.
Ovi rezultati mogli bi biti revolucionarni u praksi. Asp je izjavio: "Proveli smo izračune na električnim vozilima, a rezultati pokazuju da bi se njihovo vrijeme vožnje moglo produljiti za 70% u usporedbi s trenutnim modelima, ako električna vozila usvoje konkurentne strukturne baterije."
Tvrdoća najnovijeg prototipa tima je gotovo tri puta veća od prethodnih iteracija, s modulom elastičnosti koji se povećava s 25 GPa na 70 GPa. Tim tvrdi da su njegova tvrdoća i nosivost sada usporedivi s aluminijem, ali je puno lakši.
Ovaj dizajn baterije koristi ugljična vlakna u anodi i katodi, koja također služi za pojačanje i provođenje električne energije. Kao rezultat toga, nema potrebe za teškim materijalima poput bakra za stvaranje kolektora struje, niti postoji zahtjev za korištenjem konfliktnih metala poput kobalta u dizajnu elektrode.
Ovaj dizajn baterije koristi materijale od karbonskih vlakana i za anodu i za katodu.
Osim toga, ova baterija koristi polukruti elektrolit umjesto tekućeg elektrolita kako bi se olakšalo kretanje litijevih iona između terminala. Kao rezultat toga, manje je zapaljiv i sigurniji za korištenje - iako istraživački tim priznaje da još uvijek postoje izazovi u dopuštanju ionima da brzo prolaze kroz elektrolit kako bi se zadovoljili zahtjevi aplikacija velike snage. Potrebno je više istraživanja u ovom području.
Doista, ovo je samo još jedan laboratorijski prototip baterije, tako da će za razvoj ovih električnih vozila i uređaja sljedeće generacije trebati još nekoliko godina. Međutim, velika proizvodnja i komercijalizacija već su u tijeku. Već 2022. godine sveučilište se udružilo s tvrtkom rizičnog kapitala Chalmers Ventures iz Göteborga kako bi osnovali novu tvrtku pod nazivom Sinonus. Ova je tvrtka u lipnju ove godine imenovala novog izvršnog direktora kako bi potaknula komercijalizaciju pohrane energije bez mase, što bi moglo promijeniti način na koji proizvodimo automobile, gadgete, pa čak i lopatice vjetroturbina.
Asp je izjavio: "Mobilne telefone koji su tanki poput kreditne kartice ili prijenosna računala koja teže samo upola manje od sadašnjih, možemo zamisliti da su najbliži u smislu vremenskog okvira. Komponente poput elektronike u automobilima ili zrakoplovima također bi mogle biti pokretane strukturalnim To će zahtijevati značajna ulaganja kako bi se zadovoljili izazovni energetski zahtjevi transportne industrije, ali tu tehnologija može imati najveći utjecaj."
