Исследователи из Технологического университета Чалмерса создали структурную батарею, которая работает в десять раз лучше, чем все предыдущие версии. Он содержит углеродное волокно, которое одновременно служит электродом, проводником и несущим материалом. Их последний научный прорыв открывает путь к практически безмассовому хранению энергии в транспортных средствах и других технологиях.
Аккумуляторы в современных электромобилях составляют большую часть веса транспортных средств, не выполняя при этом никакой несущей функции. С другой стороны, структурная батарея – это батарея, которая работает и как источник энергии, и как часть конструкции, например, в кузове автомобиля. Это называется «безмассовым» накопителем энергии, потому что, по сути, вес аккумулятора исчезает, когда он становится частью несущей конструкции. Расчёты показывают, что этот тип многофункционального аккумулятора может значительно снизить вес электромобиля.
Разработка структурных батарей в Технологическом университете Чалмерса продолжалась в течение многих лет исследований, включая предыдущие открытия, связанные с определенными типами углеродного волокна. Помимо того, что они жесткие и прочные, они также обладают хорошей способностью накапливать электрическую энергию химическим способом. Эта работа была названа Physics World одним из десяти крупнейших научных достижений 2018 года.
Первая попытка создать структурную батарею была предпринята ещё в 2007 году, но до сих пор оказалось трудным производить батареи с хорошими электрическими и механическими свойствами. Но теперь разработка сделала реальный шаг вперед: исследователи из Чалмерса в сотрудничестве с Королевским технологическим институтом KTH в Стокгольме представили структурную батарею со свойствами, которые намного превосходят все, что когда-либо было замечено, с точки зрения хранения электроэнергии, жесткости и прочности. . Его многофункциональные характеристики в десять раз выше, чем у предыдущих прототипов структурных батарей.
Батарея имеет плотность энергии 24 Втч/кг, что означает примерно 20-процентную ёмкость по сравнению с сопоставимыми литий-ионными батареями, доступными в настоящее время. Но поскольку вес транспортных средств может быть значительно уменьшен, для управления электромобилем потребуется меньше энергии, а меньшая плотность энергии также приведет к повышению безопасности. А с жесткостью 25 ГПа структурная батарея действительно может конкурировать со многими другими широко используемыми строительными материалами.
«Предыдущие попытки создать структурные батареи привели к получению элементов либо с хорошими механическими свойствами, либо с хорошими электрическими свойствами. Но здесь, используя углеродное волокно, мы преуспели в разработке структурной батареи с конкурентоспособной емкостью накопления энергии и жесткостью», – объясняет Лейф Асп. , Профессор Chalmers и руководитель проекта.
Сверхлегкие электрические велосипеды и бытовая электроника скоро могут стать реальностью
Новый аккумулятор имеет отрицательный электрод из углеродного волокна и положительный электрод из алюминиевой фольги, покрытой фосфатом лития-железа. Они разделены стеклотканью в матрице электролита. Несмотря на свой успех в создании структурной батареи, в десять раз лучше, чем все предыдущие, исследователи не выбирали материалы, чтобы попытаться побить рекорды – скорее, они хотели исследовать и понять влияние структуры материала и толщины разделителя.
Сейчас реализуется новый проект, финансируемый Шведским национальным космическим агентством, в котором характеристики структурной батареи будут ещё больше увеличены. Алюминиевая фольга будет заменена углеродным волокном в качестве несущего материала в положительном электроде, обеспечивая как повышенную жесткость, так и плотность энергии. Сепаратор из стекловолокна будет заменен на ультратонкий вариант, который даст гораздо больший эффект, а также более быстрые циклы зарядки. Ожидается, что новый проект будет завершён в течение двух лет.
Лейф Асп, который также возглавляет этот проект, оценивает, что такая батарея может достичь плотности энергии 75 Втч/кг и жёсткости 75 ГПа. Это сделало бы батарею такой же прочной, как алюминий, но при сравнительно меньшем весе.
«Структурная батарея следующего поколения имеет фантастический потенциал. Если вы посмотрите на потребительские технологии, через несколько лет вполне возможно будет производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и будут намного компактнее», – говорит Лейф. Asp.
А в более долгосрочной перспективе вполне возможно, что электромобили, электрические самолеты и спутники будут проектироваться с использованием структурных батарей и питаться от них.
«На самом деле мы здесь ограничены только нашим воображением. Мы получили много внимания со стороны самых разных компаний в связи с публикацией наших научных статей в этой области. Понятно, что существует большой интерес к этим легким, многофункциональным материалы».
В конструкционной батарее в качестве отрицательного электрода используется углеродное волокно, а в качестве положительного электрода – алюминиевая фольга, покрытая фосфатом лития-железа. Углеродное волокно служит хозяином для лития и, таким образом, накапливает энергию. Поскольку углеродное волокно также проводит электроны, отпадает необходимость в медных и серебряных проводниках, что ещё больше снижает вес. И углеродное волокно, и алюминиевая фольга способствуют механическим свойствам структурной батареи. Два материала электродов разделены стекловолоконной тканью в матрице структурного электролита. Задача электролита – транспортировать ионы лития между двумя электродами батареи, а также передавать механические нагрузки между углеродными волокнами и другими частями.
Проект осуществляется в сотрудничестве между Технологическим университетом Чалмерса и Королевским технологическим институтом KTH, двумя крупнейшими техническими университетами Швеции. Аккумуляторный электролит был разработан в KTH. В проекте участвуют исследователи из пяти различных дисциплин: механика материалов, материаловедение, легкие конструкции, прикладная электрохимия и технология волокон и полимеров. Финансирование поступило от исследовательской программы Европейской комиссии Clean Sky II, а также от ВВС США.
