Kulfiber bruges primært til sin lette vægt og værdsat for sin styrke og stivhed. Men når Leif Asp ser på materialet, ser han en mulighed for at få det til at gøre dobbeltarbejde på en måde, der drastisk kan forbedre effektiviteten af biler og fly.
”Batteriet er en strukturel parasit, ” siger ingeniøren og professoren ved Chalmers teknologiske universitet i Sverige, hvilket betyder, at det tilføjer vægt og saps effektivitet uden at bidrage til bilens fysiske styrke og struktur, som den kører. Men hvad nu hvis køretøjerne blev bygget ud af batterier?
Det er her Asp virkelig går med denne teknologi. Han vil se biler, fly, både, endda smartur og anden forbrugerelektronik lavet af et materiale, der fungerer både som kroppen og energikilden - noget kendt som et "strukturelt batteri." En bil med strukturelle batterier kunne veje op til 50 procent mindre end en typisk EV, der har tunge lithium-ion-batterier pakket under sig, siger Asp.
Det er ikke nyt, at kulfiber har elektrokemiske egenskaber. Ligesom grafit er materialet i visse konfigurationer i stand til ledningsevne. Forskere fra Chalmers University of Technology har ansøgt om et amerikansk patent på et batteri lavet af kulfiber, men faktisk har det vist sig vanskeligt at få en til markedet for det lille antal mennesker, der studerer ideen. Ny forskning fra Asp's team har identificeret et bestemt aspekt af materialet, der gør dets potentielle anvendelse som strukturelle batterier meget mere realistisk.
Leif Asp med en spole af kulfibergarn (Johan Bodell, Chalmers teknologiske universitet) Alt kulstof er imidlertid ikke skabt ens, og forskellige kulstoftyper har forskellige egenskaber, der gør dem anvendelige til forskellige anvendelser. Asp's mål er at forstå, hvad der opfører sig hvordan og hvorfor, og anvende det til strukturelle applikationer.
”De kulfibre, der er tilgængelige på markedet, de er lavet til strukturelle applikationer eller lavet til elektriske applikationer, ” siger han. Strukturelle anvendelser er det, vi er mest bekendt med, fra det kulstof, der udgør cykler og andre stærke, lette produkter, men elektriske komponenter er undertiden også lavet af materialet, omend af en anden type. Han mener, at der er kulstof, der kan gøre begge dele.
I deres seneste forskning sammenlignede Asp og hans samarbejdspartnere tre kompositter og undersøgte dem gennem elektronmikroskopi og laserspektroskopi. De byggede fiberen i batterier, kiggede på størrelsen og orienteringen af krystallerne af kulstofatomer, der var bundet sammen i dem, og sammenlignede stivhed, styrke og elektrokemiske egenskaber ved de forskellige materialer. Mindre krystaller, med mere desorienteret struktur, har en tendens til at være mere elektrokemisk reaktive - det vil sige, de er mere i stand til at optage, opbevare og frigive elektroner og dermed fungere som batterier. Imidlertid er disse typer kulstof mindre stive end dem med krystaller, der er længere og foret. (Uanset hvad, de er meget små; Asp sammenlignede fibre med krystaller fra 18 til 28 ångstrømmer til krystaller fra 100 til 300 ångstrømmer, og en angstrøm er en ti milliardedel af en meter.)
Forskernes vision er køretøjer, hvor en stor del af karosseriet eller flykroppen består af strukturelle lithium-ion-batterier. (Yen Strandqvist, Chalmers teknologiske universitet) Brug af en kulfiber, der ofrer en vis stivhed for at opnå bedre ledningsevne, er muligvis ikke et problem, fordi materialet stadig var stivere end stål og var i stand til at bære en strukturel belastning. Det har heller ikke en opladning lige så effektivt som traditionelle batterier, men hvis det meste af bilen består af tingene, behøver det ikke, fordi den samlede effektivitet stadig vil øges meget. Industripartnere som Airbus, der har arbejdet med Asp siden 2015, omtaler dette som "masse-mindre energilagring."
Stadig er det teknologi, der er langt fra at være praktisk - potentielt årtier, siger Adrian Mouritz, administrerende dekan ved ingeniørskolen ved RMIT University i Melbourne. Mouritz arbejder også med strukturel energilagring ved hjælp af kulfiber, men hans arbejde indlejrer lithium-ion-batterier inden i sandwiches af kulstof, hvilket hjælper med at bære noget af den strukturelle belastning og reducere batteriets dødvægt, dog ikke så omfattende som Asp's version.
”Den tilgang, vi tager, det sammensatte materiale er allerede bevist, selve batteriet er allerede bevist. Alt, hvad vi prøver at bevise, er integrationen af batteriet i kompositten, som er et meget mindre skridt at tage, ”siger Mouritz. ”Leifs er… mere teknisk kompleks, men fordelene på længere sigt vil blive stærkere. Det kræver stadig meget mere forskning og udvikling for at optimere materialerne og designet af det aktuelle system. ”
Asp og hans laboratorium arbejder allerede på at gøre det levedygtigt. Tidlig forskning (2014 og tidligere) modificerede carbonfibre, der introducerer en kappe af laminerede polymerelektrolytter, der hjælper fiberen med at opbevare og frigive ioner mere effektivt, på samme måde som et lithiumionbatteri bruger en mellemliggende elektrolyt.
”For at dette flyver, ville selvfølgelig være lang tid væk, ” siger Asp. Han arbejder med Airbus for at producere en demo til udgivelse næste år, som erstatter indvendige lys og kabler med strukturel kulfiber. Selvom den større vægtbesparelse kan være ved at fjerne behovet for brændstof, hvilket Mouritz siger, tegner sig for en tredjedel eller mere af et flyselskabs driftsbudget, vil Airbus-demoen være en illustration af, at teknologien er levedygtig.
Mouritz ser, at teknologien først anvendes til luksusbiler og formel 1-racerbiler og en bred vedtagelse på forbrugermarkedet, når prisen kommer ned og pålideligheden er bekræftet. "Hvis du kan letvægte dit fly, hvis du kan letvægte din bil, er de faktiske nettoomkostningsbesparelser på dette i hundreder af millioner, hvis ikke i milliarder af dollars, " siger han.
"Den anden ting, selvfølgelig, " tilføjer Mourtiz, "er, hvis jeg reducerer min brændstofforbrænding, reducerer jeg faktisk mine drivhusgasemissioner."
