Baterie structurală multifuncțională din fibră de carbon dezvoltată cu succes! Se așteaptă o creștere a gamei de vehicule electrice cu 70%.
Atunci când mașinile, avioanele, navele sau computerele sunt fabricate dintr-un material care poate servi atât ca baterie, cât și ca structură portantă, greutatea și consumul lor de energie vor fi reduse semnificativ. Potrivit unui articol publicat pe 10 în ultimul număr alMateriale avansate, o echipă de cercetare de la Universitatea de Tehnologie Chalmers din Suedia a făcut progrese în „stocarea de energie fără masă” și a dezvoltat o baterie structurală multifuncțională din fibră de carbon. Această baterie ar putea înjumătăți greutatea laptopurilor, ar putea face smartphone-uri la fel de subțiri ca cardurile de credit sau ar putea crește autonomia vehiculelor electrice cu 70% la o singură încărcare.
Ricardo Chaudhry, cercetător la Universitatea de Tehnologie Chalmers, a declarat că bateria structurală pe care au dezvoltat-o este realizată din compozite din fibră de carbon, cu o rigiditate comparabilă cu cea a aluminiului și o densitate de energie suficientă pentru aplicarea comercială. O baterie structurală este un material care poate stoca energie și poate suporta sarcini. A face din materialele bateriei parte integrantă a structurii reale a produsului înseamnă că produse precum vehiculele electrice, dronele, instrumentele portabile, laptopurile și smartphone-urile pot obține o greutate redusă.
Vehiculele electrice depind în mare măsură de baterii mari litiu-ion pentru călătorii pe distanțe lungi. Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Chalmers au vrut să vadă dacă ar putea crea o baterie care să servească drept material portant pentru a ține vehiculul împreună, reducând în același timp greutatea. Ca parte a proiectului „de stocare fără masă a energiei”, echipa de cercetare suedeză a dezvoltat o baterie realizată din compozite din fibră de carbon. Această baterie are o duritate similară cu cea a aluminiului și poate stoca o cantitate considerabilă de energie, ceea ce o face potrivită pentru uz comercial
Se așteaptă ca bateriile din fibră de carbon să stocheze energie și să suporte sarcini similar cu bateriile din aluminiu.
Într-adevăr, fibra de carbon este renumită pentru greutatea sa incredibilă, rezistența ridicată și rigiditatea ridicată, ceea ce o face o alegere populară în materialele structurale și estetice ale vehiculelor de înaltă performanță. În ciuda costului său ridicat, este, de asemenea, un material critic în aplicațiile aerospațiale, unde fiecare gram contează. Cu toate acestea, dacă este proiectat cu inginerie electrochimică în acest scop, poate servi și ca material de electrod eficient. Condusă de profesorul Leif Asp, echipa Chalmers cercetează acest domeniu de mulți ani și a publicat un studiu în 2018 care a demonstrat pentru prima dată această proprietate a fibrelor de carbon cu un aranjament specific de cristal.
Cercetătorii Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry și profesorul Leif Asp au studiat conceptul de stocare a energiei fără masă de mulți ani.
Densitatea de energie a noului design al bateriei este de 30 Wh/kg, ceea ce, conform standardelor auto, nu este deosebit de mare. Pentru referință, densitatea de energie nominală a pachetului de baterii de 53 kWh al Hyundai Ioniq 6 este de 153 Wh/kg (PDF). Totuși, această cifră reprezintă doar densitatea energetică a acumulatorului găzduit într-o cutie; pentru o comparație corectă, trebuie luată în considerare și greutatea întregii structuri a vehiculului. Designul acestei baterii structurale din fibră de carbon are ca scop înlocuirea întregului șasiu, reducând greutatea totală a vehiculului, eliberând în același timp spațiu.
Producătorii de vehicule electrice și de echipamente pot folosi această nouă ecuație fie pentru a reduce semnificativ greutatea produsului, fie pentru a folosi spațiul eliberat pentru a adăuga mai multe baterii, sporind astfel capacitatea totală de stocare a energiei.
Aceste rezultate ar putea fi revoluționare în practică. Asp a declarat: „Am efectuat calcule pe vehicule electrice, iar rezultatele indică faptul că dacă vehiculele electrice ar adopta baterii structurale competitive, timpul lor de conducere ar putea fi prelungit cu 70% în comparație cu modelele actuale”.
Duritatea celui mai recent prototip al echipei este de aproape trei ori mai mare decât a iterațiilor anterioare, modulul elastic crescând de la 25 GPa la 70 GPa. Echipa susține că duritatea și capacitatea sa portantă sunt acum comparabile cu aluminiul, dar este mult mai ușor.
Acest design al bateriei utilizează fibră de carbon atât în anod, cât și în catod, care servește și la consolidarea și conducerea electricității. Ca urmare, nu este nevoie de materiale grele precum cuprul pentru a crea colectoare de curent și nici nu există o cerință de a utiliza metale conflictuale precum cobaltul în proiectarea electrodului.
Acest design al bateriei folosește materiale din fibră de carbon atât pentru anod, cât și pentru catod.
În plus, această baterie folosește un electrolit semi-solid în loc de un electrolit lichid pentru a facilita mișcarea ionilor de litiu între terminale. Ca rezultat, este mai puțin inflamabil și mai sigur de utilizat, deși echipa de cercetare recunoaște că există încă provocări în a permite ionilor să treacă rapid prin electrolit pentru a satisface cerințele aplicațiilor de mare putere. Sunt necesare mai multe cercetări în acest domeniu.
Într-adevăr, acesta este doar un alt prototip de baterie de laborator, astfel încât aceste vehicule și dispozitive electrice de ultimă generație vor mai dura câțiva ani pentru a se dezvolta. Cu toate acestea, producția și comercializarea pe scară largă sunt deja în curs de desfășurare. Încă din 2022, universitatea a colaborat cu firma de capital de risc Chalmers Ventures din Göteborg pentru a înființa o nouă companie numită Sinonus. Această companie a numit un nou CEO în iunie a acestui an pentru a promova comercializarea stocării de energie fără masă, care ar putea schimba modul în care producem mașini, gadget-uri și chiar palete de turbine eoliene.
Asp a declarat: „Ne putem imagina telefoane mobile care sunt la fel de subțiri ca un card de credit sau laptop-uri care cântăresc doar jumătate din ceea ce o fac acum, fiind cele mai apropiate din punct de vedere al cronologiei. Componente precum electronicele din mașini sau avioane ar putea fi alimentate și de structuri Acest lucru va necesita investiții semnificative pentru a satisface cerințele provocatoare de energie ale industriei transporturilor, dar aici tehnologia poate avea cel mai mare impact.”
