Akumulator z włókna węglowego jako element konstrukcyjny

Zespół badawczy z Politechniki Chalmers spędził lata na badaniu idei, że akumulatory mogą pełnić jednocześnie funkcję elementów konstrukcyjnych, aby zmniejszyć ciężar konstrukcji pojazdu. Włókno węglowe jest kluczowym filarem tych badań, ze względu na jego doskonałe i dobrze znane właściwości mechaniczne, a także jego zdolność do działania jako materiał elektrody, gdy jest odpowiednio zaprojektowany.

 

"Bezmasowa bateria" alternatywą dla konwencjonalnych rozwiązań do magazynowania energii

Choć w ostatnich latach przemysł znacznie się rozwinął, ciężkie, nieporęczne akumulatory cały czas występują jako czynnik ograniczający m.in. odległość, na jaką mogą przemieszczać się różne pojazdy. Naukowcy z Politechniki Chalmers badali alternatywę dla tych konwencjonalnych rozwiązań do magazynowania energii i twierdzą, że udało się osiągnąć wielki przełom, demonstrując nowy typ „bezmasowej” baterii, która może działać jako źródło zasilania i jednocześnie element konstrukcyjny pojazdu.

W 2018 r. naukowcy opublikowali badanie opisujące postać włókna węglowego z odpowiednim układem kryształów zapewniającym zarówno sztywność wymaganą do konstrukcji pojazdu, jak i niezbędną wydajność elektrochemiczną do magazynowania energii. W ramach wysiłków zmierzających na przełożenie tych badań na rzeczywiste zastosowania stworzyli baterię strukturalną na bazie włókna węglowego, która według nich działa 10 razy lepiej niż jakakolwiek poprzednia wersja.

Budowa oraz zastosowanie nietypowego akumulatora

Akumulator składa się z elektrody ujemnej wykonanej z włókna węglowego i elektrody dodatniej wykonanej z folii aluminiowej pokrytej fosforanem litu i żelaza. Są one oddzielone tkaniną z włókna szklanego, która służy jako strukturalna matryca elektrolitu – zarówno transportująca jony litu między elektrodami, jak w konwencjonalnej baterii, ale także pomagająca rozłożyć obciążenia mechaniczne na różne części konstrukcji.

Naukowcy opisują to jako „bezmasowe” urządzenie magazynujące energię, ponieważ w przeciwieństwie do konwencjonalnej baterii nie powoduje ono, przynajmniej w teorii, dodatkowego obciążenia pojazdu. Wiąże się to jednak z pewnymi kompromisami. Na przykład akumulator ma gęstość energii 24 Wh/kg, co według zespołu stanowi około 20% pojemności dzisiejszych akumulatorów litowo-jonowych.

Na czym polega kolejna faza badań?

Z drugiej strony, gdyby ten akumulator został zintegrowany z samochodem elektrycznym, zamiast typowego akumulatora litowo-jonowego, samochód ten ważyłby znacznie mniej, a zatem wymagałby mniej energii do napędzania go po ziemi. Jeśli chodzi o właściwości mechaniczne, zespół twierdzi, że materiał ma sztywność 25 GPa i może konkurować z innymi powszechnie stosowanymi materiałami konstrukcyjnymi.

Akumulator
Akumulator, który podwaja się jako element konstrukcyjny do budowy pojazdów, może otworzyć kilka ciekawych możliwości w transporcie elektrycznym.

Naukowcy twierdzą, że ten nowy projekt zapewnia dziesięciokrotną poprawę wydajności w porównaniu z poprzednimi próbami baterii strukturalnej, ale szybko zwracają uwagę na jeszcze ambitniejsze ambicje. Kolejna faza ich badań polega na zastąpieniu aluminium w elektrodzie dodatniej włóknem węglowym w celu dalszego zwiększenia wydajności energetycznej i mechanicznej, podczas gdy tkanina z włókna szklanego zostanie zastąpiona cieńszą wersją, aby przyspieszyć ładowanie. Według przypuszczeń taka bateria może oferować gęstość energii nawet 75 Wh/kg i sztywność 75 GPa, dzięki czemu jest tak wytrzymała jak aluminium, ale o wiele lżejsza. To sprawia, że możliwości związane z pojazdami elektrycznymi, a nawet elektroniką użytkową, mogą stać się naprawdę interesujące.

Źródło: Chalmers University of Technology


MM Magazyn Przemysłowy Online

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.