Szuperkönnyű, egyben teherhordó akkumulátort fejlesztettek és tesztelnek
A Chalmers Műszaki Egyetem kutatói olyan szerkezeti akkumulátort készítettek, amely tízszer jobban teljesít, mint az összes korábbi verzió. Szénszálat tartalmaz, amely egyszerre szolgál elektródként, vezetőként és teherhordó anyagként. Legfrissebb kutatási áttörésük megnyitja az utat a járművek és más technológiák lényegében „tömegtelen” energiatárolása előtt.
A mai elektromos autók akkumulátorai a jármű tömegének nagy részét alkotják, anélkül, hogy bármilyen teherbíró funkciót teljesítenének. A szerkezeti akkumulátor viszont áramforrásként és a szerkezet részeként is működik – például egy autó karosszériájában. Ezt „tömeg nélküli” energiatárolásnak nevezik, mivel lényegében az akkumulátor súlya eltűnik, amikor a teherhordó szerkezet részévé válik. A számítások azt mutatják, hogy az ilyen típusú multifunkcionális akkumulátor jelentősen csökkentheti az elektromos jármű tömegét.
A szerkezeti elemek fejlesztése a Chalmers Műszaki Egyetemen sok éves kutatás során haladt előre, ideértve bizonyos típusú szénszálakkal kapcsolatos korábbi felfedezéseket is . Amellett, hogy merevek és erősek, jól képesek elektromos energiát kémiailag is tárolni. Ezt a munkát a Physics World 2018 tíz legnagyobb tudományos áttörésének egyikeként nevezte meg.
Az első kísérletet egy szerkezeti elem gyártására 2007-ben tették meg, de eddig nehéznek bizonyult jó elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkező akkumulátorok gyártása.
De most a fejlesztés valódi előrelépést tett, a Chalmers kutatói a stockholmi KTH Királyi Műszaki Intézettel együttműködve egy olyan szerkezeti elemet mutattak be, amelynek tulajdonságai messze meghaladják az eddig látottakat, az elektromos energiatárolás, merevség és szilárdság szempontjából . Multifunkcionális teljesítménye tízszer nagyobb, mint a korábbi szerkezeti akkumulátor prototípusoké.
Az akkumulátor energia-sűrűsége 24 Wh / kg, ami körülbelül 20 százalékos kapacitást jelent a jelenleg rendelkezésre álló összehasonlítható lítium-ion akkumulátorokhoz képest. De mivel a járművek súlya nagymértékben csökkenthető, kevesebb energiára lesz szükség például egy elektromos autó vezetéséhez, és az alacsonyabb energiasűrűség szintén növeli a biztonságot. A 25 GPa merevség mellett a szerkezeti akkumulátor valóban versenyre kelhet sok más általánosan használt építőanyaggal.
„Korábbi szerkezeti elemek gyártására tett kísérletek vagy jó mechanikai tulajdonságokkal, vagy jó elektromos tulajdonságokkal rendelkező cellákat eredményeztek. De itt, szénszál felhasználásával sikerült versenyképes energiatároló és merevségű szerkezeti elemet tervezni. ”- magyarázza Leif Asp, a Chalmers professzora és a projekt vezetője.
A szuper könnyű elektromos kerékpárok és a szórakoztató elektronika hamarosan valósággá válhat
Az új akkumulátor negatív elektróda szénszálból, pozitív elektróda pedig lítium-vas-foszfáttal bevont alumínium fóliából készül. Üvegszálas szövet választja el őket, elektrolit mátrixban. Annak ellenére, hogy az összes korábbinál tízszer jobban sikerült létrehozni egy szerkezeti elemet, a kutatók nem az anyagokat választották a rekordok megdöntésére – inkább az anyagépítészet és az elválasztóvastagság hatásait akarták megvizsgálni és megérteni.
Most egy új projekt zajlik, amelyet a Svéd Nemzeti Űrügynökség finanszírozott, és ahol a strukturális elemek teljesítménye még tovább növekszik. Az alumínium fóliát szénszálra cseréljük, mint teherhordó anyagot a pozitív elektródában, ami megnövelt merevséget és energiasűrűséget is biztosít. Az üvegszálas szeparátort ultravékony változatra cserélik, ami sokkal nagyobb hatást – és gyorsabb töltési ciklust is eredményez. Az új projekt várhatóan két éven belül befejeződik.
A projektet vezető Leif Asp becslései szerint egy ilyen akkumulátor elérheti a 75 Wh / kg energiasűrűséget és a 75 GPa merevséget. Ez az akkumulátort kb. Olyan erősvé teszi, mint az alumínium, de viszonylag alacsonyabb súlyú.
„A következő generációs akkumulátor fantasztikus potenciállal rendelkezik. Ha a fogyasztói technológiát nézzük, néhány éven belül teljesen lehetséges lehet olyan okostelefonok, laptopok vagy elektromos kerékpárok gyártása, amelyek fele akkora súlyúak, mint manapság, és sokkal kompaktabbak ”- mondja Leif Asp.
Hosszabb távon pedig abszolút elképzelhető, hogy az elektromos autókat, elektromos repülőgépeket és műholdakat strukturális akkumulátorokkal tervezik és működtetik.
„Valójában csak a képzeletünk korlátozza itt. A szakterületen megjelent tudományos cikkeink publikálása kapcsán sokféle társaságtól sok figyelmet kaptunk. Érthető módon nagy az érdeklődés ezek iránt a könnyű, multifunkcionális anyagok iránt. ”- mondja Leif Asp.
Olvassa el a cikket az Advanced Energy & Sustainability Research tudományos folyóiratban:
Szerkezeti akkumulátor és multifunkcionális teljesítménye
Nézzen meg egy Youtube-videót itt: Rekordteljesítményű akkumulátor
További információ: A szerkezeti elemek kutatása
A szerkezeti akkumulátor negatív elektródként szénszálat, pozitív elektródként lítium-vas-foszfáttal bevont alumínium fóliát használ. A szénszál a lítium gazdájaként működik, és így tárolja az energiát. Mivel a szénszál elektronokat is vezet, elkerülhető a réz és ezüst vezetők igénye – a súly még tovább csökken. A szénszál és az alumíniumfólia is hozzájárul a szerkezeti elem mechanikai tulajdonságaihoz. A két elektródaanyagot üvegszálas szövet választja el egymástól a szerkezeti elektrolitmátrixban. Az elektrolit feladata a lítiumionok szállítása az akkumulátor két elektródája között, ugyanakkor mechanikai terhelések átvitele a szénszálak és más alkatrészek között.
A projekt a Chalmers Műszaki Egyetem és a KTH Királyi Műszaki Intézet, Svédország két legnagyobb műszaki egyeteme együttműködésében fut. Az akkumulátor elektrolitját a KTH-ban fejlesztették ki. A projektben öt különböző tudományterület kutatói vesznek részt: anyagmechanika, anyaggyártás, könnyűszerkezetek, alkalmazott elektrokémia, valamint szál- és polimer technológia. A finanszírozás az Európai Bizottság Tiszta Égbolt II kutatási programjából, valamint az amerikai légierőből származott.
