Голям пробив за „безмасово“ съхранение на енергия: Структурна батерия, която се представя 10 пъти по -добре от всички предишни версии

ТЕМИ: Технология на батериите, Технологичен университет Чалмърс, Енергия, Материалознание, Популярни
От CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 24 март 2021 г.

Структурните композитни батерии не могат да съхраняват толкова енергия, колкото литиево-йонните батерии, но имат няколко характеристики, които ги правят изключително привлекателни за използване в превозни средства и други приложения. Когато батерията стане част от носещата конструкция, масата на акумулатора по същество „изчезва“ ™. Кредит: Йен Страндквист/Технологичен университет Чалмърс.

Изследователи от Технологичния университет Чалмърс са произвели структурна батерия, която работи десет пъти по -добре от всички предишни версии. Той съдържа въглеродни влакна, които служат едновременно като електрод, проводник и носещ материал. Последният им изследователски пробив проправя пътя за по същество „безмасово“ съхранение на енергия в превозни средства и други технологии.

Батериите в днешните електрически автомобили съставляват голяма част от теглото на превозните средства, без да изпълняват никаква натоварваща функция. Структурната батерия, от друга страна, е тази, която работи както като източник на енергия, така и като част от структурата - например в каросерията на автомобила. Това се нарича „безмасово“ съхранение на енергия, тъй като по същество теглото на батерията изчезва, когато стане част от носещата конструкция. Изчисленията показват, че този тип многофункционална батерия може значително да намали теглото на електрически автомобил.

Разработването на структурни батерии в Технологичния университет на Чалмърс продължи през дълги години изследвания, включително предишни открития, включващи определени видове въглеродни влакна. Освен че са твърди и здрави, те също имат добра способност да съхраняват електрическа енергия химически. Тази работа е обявена от Physics World за един от десетте най -големи научни постижения за 2018 г.

Първият опит да се направи структурна батерия беше направен още през 2007 г., но досега се оказа трудно да се произвеждат батерии с добри електрически и механични свойства.

Доктор Йохана Сю с новоизработена структурна клетка на батерията в композитната лаборатория на Чалмърс, която тя показва на Лейф Асп. Клетката се състои от електрод от въглеродни влакна и литиево -железен фосфатен електрод, разделени от тъкан от фибростъкло, всички импрегнирани със структурен електролит на батерията за комбинирани механични и електрически функции. Три структурни батерии са свързани последователно и са ламинирани като част от по -голям композитен ламинат. Всяка клетка от структурна батерия има номинално напрежение 2,8 V. Ламинатът има общо напрежение 8,4 V и скованост в равнината малко над 28 GPa. Кредит: Marcus Folino, Технологичен университет Chalmers.

Но сега разработката е направила истинска крачка напред, като изследователи от Чалмърс, в сътрудничество с Кралския технологичен институт KTH в Стокхолм, представиха структурна батерия със свойства, които далеч надхвърлят всичко, което все още се вижда, по отношение на съхранението на електрическа енергия, твърдостта и здравината . Неговата многофункционална производителност е десет пъти по -висока от предишните структурни прототипи на батерии.

Батерията има енергийна плътност от 24 Wh/kg, което означава приблизително 20 процента капацитет в сравнение с наличните в момента литиево-йонни батерии. Но тъй като теглото на превозните средства може да бъде значително намалено, например, ще се изисква по -малко енергия за управление на електрически автомобил, а по -ниската енергийна плътност също води до повишена безопасност. И с твърдост от 25 GPa, структурната батерия наистина може да се конкурира с много други често използвани строителни материали.

„Предишните опити да се направят структурни батерии доведоха до клетки с добри механични свойства или добри електрически свойства. Но тук, използвайки въглеродни влакна, успяхме да проектираме структурна батерия с конкурентен капацитет за съхранение на енергия и твърдост “, обяснява Лейф Асп, професор в Chalmers и ръководител на проекта.

Супер леките електрически велосипеди и потребителската електроника скоро може да станат реалност

Новата батерия има отрицателен електрод, изработен от въглеродни влакна, и положителен електрод, изработен от алуминиево фолио, покрито с литиев железен фосфат. Те са разделени от тъкан от фибростъкло, в електролитна матрица. Въпреки техния успех в създаването на структурна батерия десет пъти по -добра от всички предишни, изследователите не избраха материалите, за да се опитат да счупят рекорди - по -скоро те искаха да проучат и разберат ефектите от материалната архитектура и дебелината на сепаратора.

Сега е в ход нов проект, финансиран от Шведската национална космическа агенция, където работата на структурната батерия ще бъде увеличена още повече. Алуминиевото фолио ще бъде заменено с въглеродни влакна като носещ материал в положителния електрод, осигуряващ както повишена твърдост, така и енергийна плътност. Сепараторът от фибростъкло ще бъде заменен с ултра тънък вариант, който ще даде много по-голям ефект-както и по-бързи цикли на зареждане. Очаква се новият проект да бъде завършен в рамките на две години.

Leif Asp, който също ръководи този проект, изчислява, че такава батерия може да достигне енергийна плътност от 75 Wh/kg и твърдост от 75 GPa. Това би направило батерията толкова здрава като алуминия, но със сравнително много по -ниско тегло.

Лейф Асп, професор в катедрата по индустриални и материални науки, Технологичен университет Чалмърс. Той публикува първата си статия за структурните батерии през 2010 г. и сега успя да демонстрира мултифункционална производителност десет пъти по -висока, отколкото във всеки предишен прототип на структурна батерия. Кредит: Marcus Folino, Технологичен университет Chalmers.

„Структурната батерия от следващо поколение има фантастичен потенциал. Ако погледнете потребителските технологии, може да е напълно възможно в рамките на няколко години да се произвеждат смартфони, лаптопи или електрически велосипеди, които тежат наполовина колкото днешните и са много по -компактни “, казва Leif Asp.
В дългосрочен план е абсолютно възможно да се проектират електрически автомобили, електрически самолети и спътници със и задвижвани от структурни батерии.

„Тук наистина сме ограничени само от въображението си. Получихме много внимание от много различни видове компании във връзка с публикуването на нашите научни статии в тази област. Разбираемо има голям интерес към тези леки, многофункционални материали “, казва Leif Asp.

Справка: „Структурна батерия и нейното многофункционално представяне“ от Leif E. Asp, Karl Bouton, David Carlstedt, Shanghong Duan, Ross Harnden, Wilhelm Johannisson, Marcus Johansen, Mats KG Johansson, Göran Lindbergh, Fang Liu, Kevin Peuvot , Lynn M. Schneider, Johanna Xu and Dan Zenkert, 27 януари 2021 г., Advanced Energy & Sustainability Research.
DOI: 10.1002/aesr.202000093

Още за: Изследванията върху структурните батерии
Структурната батерия използва въглеродни влакна като отрицателен електрод и алуминиево фолио, покрито с литиев железен фосфат, като положителен електрод. Въглеродните влакна действат като гостоприемник на лития и по този начин съхраняват енергията. Тъй като въглеродните влакна също провеждат електрони, необходимостта от медни и сребърни проводници също се избягва - допълнително намаляване на теглото. Както въглеродните влакна, така и алуминиевото фолио допринасят за механичните свойства на структурната батерия. Двата електродни материала се държат разделени от тъкан от фибростъкло в структурна електролитна матрица. Задачата на електролита е да транспортира литиевите йони между двата електрода на батерията, но и да прехвърля механичните натоварвания между въглеродните влакна и други части.

Проектът се изпълнява в сътрудничество между Технологичния университет Чалмърс и Кралския технологичен институт на KTH, двата най -големи технически университета в Швеция. Електролитът на батерията е разработен в KTH. В проекта участват изследователи от пет различни дисциплини: механика на материалите, инженерство на материали, леки конструкции, приложна електрохимия и влакнести и полимерни технологии. Финансирането е от изследователската програма на Европейската комисия Clean Sky II, както и от ВВС на САЩ.