Pomyślnie opracowano wielofunkcyjny akumulator strukturalny z włókna węglowego! Oczekuje się zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych o 70%.
Kiedy samochody, samoloty, statki czy komputery są wykonane z materiału, który może służyć zarówno jako akumulator, jak i konstrukcja nośna, ich waga i zużycie energii zostaną znacznie zmniejszone. Jak wynika z artykułu opublikowanego 10 grudnia w najnowszym numerze „Zaawansowane materiałyzespół badawczy z Politechniki Chalmers w Szwecji poczynił postępy w zakresie „bezmasowego magazynowania energii” i opracował wielofunkcyjny akumulator strukturalny z włókna węglowego. Bateria ta może zmniejszyć o połowę wagę laptopów, sprawić, że smartfony będą tak cienkie jak karty kredytowe lub zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych o 70% na jednym ładowaniu.
Ricardo Chaudhry, badacz z Chalmers University of Technology, stwierdził, że opracowany przez nich akumulator konstrukcyjny jest wykonany z kompozytów z włókna węglowego, o sztywności porównywalnej do aluminium i gęstości energii wystarczającej do zastosowań komercyjnych. Bateria strukturalna to materiał, który może zarówno magazynować energię, jak i przenosić obciążenia. Uczynienie materiałów akumulatorowych integralną częścią rzeczywistej struktury produktu oznacza, że produkty takie jak pojazdy elektryczne, drony, narzędzia ręczne, laptopy i smartfony mogą osiągnąć zmniejszoną wagę.
Pojazdy elektryczne w dużej mierze zależą od dużych akumulatorów litowo-jonowych do podróży na duże odległości. Naukowcy z Politechniki Chalmers chcieli sprawdzić, czy uda im się stworzyć akumulator, który posłuży jako materiał nośny utrzymujący pojazd w całości, jednocześnie zmniejszając jego masę. W ramach projektu „bezmasowego magazynowania energii” szwedzki zespół badawczy opracował akumulator wykonany z kompozytów włókna węglowego. Bateria ta ma twardość zbliżoną do aluminium i może przechowywać znaczną ilość energii, dzięki czemu nadaje się do użytku komercyjnego
Oczekuje się, że akumulatory z włókna węglowego będą magazynować energię i obsługiwać obciążenia podobnie jak akumulatory aluminiowe.
Rzeczywiście, włókno węglowe słynie z niewiarygodnej lekkości, dużej wytrzymałości i dużej sztywności, co czyni go popularnym wyborem w materiałach konstrukcyjnych i estetycznych pojazdów o wysokich osiągach. Pomimo wysokiego kosztu jest także materiałem o krytycznym znaczeniu w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych, gdzie liczy się każdy gram. Jednakże, jeśli zostanie zaprojektowany w tym celu z wykorzystaniem inżynierii elektrochemicznej, może również służyć jako skuteczny materiał na elektrodę. Zespół Chalmersa pod kierunkiem profesora Leifa Aspa bada tę dziedzinę od wielu lat i w 2018 r. opublikował badanie, w którym po raz pierwszy zademonstrowano tę właściwość włókien węglowych o specyficznym układzie kryształów.
Badacze Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry i profesor Leif Asp od wielu lat badają koncepcję bezmasowego magazynowania energii.
Gęstość energii nowej konstrukcji akumulatora wynosi 30 Wh/kg, co jak na standardy motoryzacyjne nie jest szczególnie wysokie. Dla porównania, znamionowa gęstość energii akumulatora o pojemności 53 kWh Hyundaia Ioniq 6 wynosi 153 Wh/kg (PDF). Jednakże liczba ta przedstawia jedynie gęstość energii pakietu akumulatorów umieszczonego w pudełku; dla rzetelnego porównania należy również wziąć pod uwagę masę całej konstrukcji pojazdu. Konstrukcja tego akumulatora strukturalnego z włókna węglowego ma na celu wymianę całego podwozia, zmniejszając całkowitą masę pojazdu i jednocześnie zwalniając miejsce.
Producenci pojazdów elektrycznych i sprzętu mogą wykorzystać to nowe równanie do znacznego zmniejszenia masy produktu lub wykorzystania zwolnionej przestrzeni do dodania większej liczby akumulatorów, zwiększając w ten sposób ogólną zdolność magazynowania energii.
Wyniki te mogą być rewolucyjne w praktyce. Asp stwierdził: „Przeprowadziliśmy obliczenia na pojazdach elektrycznych, a wyniki wskazują, że gdyby w pojazdach elektrycznych zastosowano konkurencyjne akumulatory strukturalne, ich czas jazdy mógłby wydłużyć się o 70% w porównaniu z obecnymi modelami”.
Twardość najnowszego prototypu zespołu jest prawie trzykrotnie większa niż w poprzednich iteracjach, a moduł sprężystości wzrósł z 25 GPa do 70 GPa. Zespół twierdzi, że jego twardość i nośność są teraz porównywalne z aluminium, ale jest znacznie lżejsze.
W tej konstrukcji akumulatora zastosowano włókno węglowe zarówno w anodzie, jak i katodzie, które służy również do wzmacniania i przewodzenia prądu elektrycznego. W rezultacie nie ma potrzeby stosowania ciężkich materiałów, takich jak miedź, do tworzenia kolektorów prądu, ani nie ma wymogu stosowania metali konfliktowych, takich jak kobalt, w konstrukcji elektrody.
W tej konstrukcji akumulatora zastosowano materiały z włókna węglowego zarówno w anodzie, jak i katodzie.
Dodatkowo w akumulatorze tym zastosowano elektrolit półstały zamiast ciekłego, co ułatwia przemieszczanie się jonów litu pomiędzy zaciskami. W rezultacie jest mniej łatwopalny i bezpieczniejszy w użyciu, chociaż zespół badawczy przyznaje, że nadal istnieją wyzwania związane z umożliwieniem szybkiego przejścia jonów przez elektrolit w celu spełnienia wymagań zastosowań wymagających dużej mocy. Konieczne są dalsze badania w tej dziedzinie.
W istocie jest to po prostu kolejny prototypowy akumulator laboratoryjny, więc opracowanie pojazdów i urządzeń elektrycznych nowej generacji zajmie jeszcze kilka lat. Jednak produkcja i komercjalizacja na dużą skalę już trwają. Już w 2022 roku uniwersytet nawiązał współpracę z firmą venture capital Chalmers Ventures z Göteborga, aby założyć nową firmę o nazwie Sinonus. W czerwcu tego roku firma ta mianowała nowego dyrektora generalnego, aby stymulować komercjalizację bezmasowych magazynów energii, co może zmienić sposób, w jaki produkujemy samochody, gadżety, a nawet łopaty turbin wiatrowych.
Asp stwierdził: „Możemy sobie wyobrazić telefony komórkowe cienkie jak karta kredytowa lub laptopy, które ważą tylko o połowę mniej niż obecnie, co jest najbliższe pod względem czasu. Podzespoły takie jak elektronika w samochodach lub samolotach również mogłyby być zasilane ze źródeł strukturalnych. będzie to wymagało znacznych inwestycji, aby sprostać wymagającym wymaganiom energetycznym branży transportowej, ale właśnie w tym zakresie technologia może mieć największy wpływ”.
