Исследователи из Технологического университета Чалмерса преуспели в создании батареи из композитного углеродного волокна, которая такая же жесткая, как алюминий, и достаточно энергоемкая, чтобы ее можно было использовать в коммерческих целях. Когда автомобили, самолеты, корабли или компьютеры строятся из материала, который выполняет функции как батареи, так и несущей конструкции, вес и потребление энергии радикально снижаются. Кредит: Технологический университет Чалмерса | Хенрик Сандшё
Когда автомобили, самолеты, корабли или компьютеры строятся из материала, который функционирует и как аккумулятор, и как несущая конструкция, вес и потребление энергии радикально снижаются. Исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса в Швеции в настоящее время представляет ведущий в мире прогресс в так называемом безмассовом хранении энергии — структурную батарею, которая может вдвое уменьшить вес ноутбука, сделать мобильный телефон таким же тонким, как кредитная карта, или увеличить дальность поездки электромобиля до 70% на одной зарядке.
«Нам удалось создать батарею из композитного углеродного волокна, которая такая же жесткая, как алюминий, и достаточно энергоемкая, чтобы ее можно было использовать в коммерческих целях. Так же, как человеческий скелет, батарея выполняет несколько функций одновременно», — говорит исследователь из Чалмерса Рича Чаудхари, которая является первым автором статьи, недавно опубликованной в журнале Advanced Materials.
Исследования структурных батарей ведутся в течение многих лет в Чалмерсе, а на некоторых этапах также совместно с исследователями из Королевского технологического института KTH в Стокгольме, Швеция. Когда профессор Лейф Асп и его коллеги опубликовали свои первые результаты в 2018 году о том, как жесткие, прочные углеродные волокна могут хранить электрическую энергию химическим путем, этот прогресс привлек огромное внимание.
Новость о том, что углеродное волокно может функционировать в качестве электродов в литий-ионных аккумуляторах, широко распространилась, и это достижение было признано журналом Physics World одним из десяти крупнейших прорывов года.
Меньший вес требует меньше энергии
С тех пор исследовательская группа дополнительно развила свою концепцию, чтобы увеличить как жесткость, так и плотность энергии. Предыдущий рубеж был достигнут в 2021 году, когда плотность энергии аккумулятора составила 24 ватт-часа на килограмм (Вт·ч/кг), что означает примерно 20% емкости сопоставимого литий-ионного аккумулятора.
Теперь это до 30 Вт·ч/кг. Хотя это все еще ниже, чем у современных батарей, условия совершенно иные. Когда батарея является частью конструкции и может быть изготовлена из легкого материала, общий вес транспортного средства значительно уменьшается. Тогда, например, для работы электромобиля требуется не так много энергии.
Разработанная концепция батареи основана на композитном материале и имеет углеродное волокно как в качестве положительного, так и отрицательного электродов, где положительный электрод покрыт литий-железо-фосфатом. Углеродное волокно, используемое в электродном материале, является многофункциональным. В аноде оно действует как арматура, а также как электрический коллектор и активный материал. В катоде оно действует как арматура, токосъемник и как леса для наращивания лития. На изображении тонкие токовые соединители прикреплены к электродам. Кредит: Технологический университет Чалмерса | Хенрик Сандшё
«Инвестирование в легкие и энергоэффективные транспортные средства — это само собой разумеющееся, если мы хотим экономить энергию и думать о будущих поколениях. Мы провели расчеты по электромобилям, которые показывают, что они могли бы ездить на 70% дольше, чем сегодня, если бы у них были конкурентоспособные структурные батареи», — говорит руководитель исследования Лейф Асп, профессор кафедры промышленных и материаловедения в Чалмерсе.
Когда речь идет о транспортных средствах, конечно, существуют высокие требования к конструкции, чтобы она была достаточно прочной для соответствия требованиям безопасности. Там структурный элемент аккумулятора исследовательской группы значительно увеличил свою жесткость, или, точнее, модуль упругости, который измеряется в гигапаскалях (ГПа), с 25 до 70. Это означает, что материал может выдерживать нагрузки так же хорошо, как алюминий, но с меньшим весом.
«С точки зрения многофункциональных свойств новая батарея в два раза лучше своей предшественницы — и на самом деле лучшая из когда-либо созданных в мире», — говорит Лейф Асп, который занимается исследованием структурных батарей с 2007 года.
Несколько шагов к коммерциализации
С самого начала целью было достичь производительности, которая позволит коммерциализировать технологию. Параллельно с тем, что исследования продолжаются, связь с рынком была укреплена — через недавно созданную компанию Chalmers Venture Sinonus AB, базирующуюся в Буросе, Швеция.
Однако предстоит еще много инженерной работы, прежде чем аккумуляторные элементы перейдут от лабораторного производства в малых масштабах к производству в больших масштабах для наших технологических гаджетов или транспортных средств.
«Можно представить, что мобильные телефоны толщиной с кредитную карту или ноутбуки, которые весят вдвое меньше, чем сегодня, являются наиболее близкими по времени. Также может быть, что такие компоненты, как электроника в автомобилях или самолетах, питаются от структурных батарей. Потребуются большие инвестиции, чтобы удовлетворить сложные потребности транспортной отрасли в энергии, но именно здесь технология может сыграть наибольшую роль», — говорит Лейф Асп, который заметил большой интерес со стороны автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса преуспели в создании батареи из композитного углеродного волокна, которая такая же жесткая, как алюминий, и достаточно энергоемкая, чтобы ее можно было использовать в коммерческих целях. Когда автомобили, самолеты, корабли или компьютеры строятся из материала, который выполняет функции как батареи, так и несущей конструкции, вес и потребление энергии радикально снижаются. Кредит: Технологический университет Чалмерса | Хенрик Сандшё
Подробнее об исследовании и структурных батареях
Структурные батареи — это материалы, которые, помимо хранения энергии, могут переносить грузы. Таким образом, материал батареи может стать частью фактического конструкционного материала продукта, что означает, что можно достичь гораздо меньшего веса, например, электромобилей, дронов, ручных инструментов, ноутбуков и мобильных телефонов.
Последние достижения в этой области были опубликованы в статье «Представление многофункциональной структурной батареи из углеродного волокна», а авторами являются Рича Чаудхари, Джоанна Сюй, Чжэньюань Ся и Лейф Асп из Технологического университета Чалмерса.
Разработанная концепция батареи основана на композитном материале и имеет углеродное волокно как в качестве положительного, так и отрицательного электродов, где положительный электрод покрыт литий-железо-фосфатом. Когда была представлена предыдущая концепция батареи, ядро положительного электрода было сделано из алюминиевой фольги.
Углеродное волокно, используемое в электродном материале, многофункционально. В аноде оно действует как армирование, а также как электрический коллектор и активный материал. В катоде оно действует как армирование, токосъемник и как леса для наращивания лития.
Поскольку углеродное волокно проводит электронный ток, потребность в токосъемниках из меди или алюминия (например) снижается, что еще больше снижает общий вес. Также не требуются никакие так называемые конфликтные металлы, такие как кобальт или марганец, в выбранной конструкции электрода.
В батарее ионы лития транспортируются между клеммами батареи через полутвердый электролит, а не через жидкий, что является сложной задачей, когда речь идет о получении высокой мощности, и для этого необходимы дополнительные исследования. В то же время конструкция способствует повышению безопасности в аккумуляторной батарее за счет снижения риска возгорания.
Дополнительная информация: Рича Чаудхари и др., Представление многофункциональной структурной батареи из углеродного волокна, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202409725
Информация о журнале: Advanced Materials Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса
