bateriile

?Viziunea cercetătorilor este a vehiculelor în care o mare parte a caroseriei sau a fuselajului avionului constă din baterii structurale litiu-ion. Fibra de carbon multifuncțională poate funcționa ca electrozi pentru baterii și ca material portant consecutiv.
? ?Ilustrație: Yen Strandqvist

Un studiu condus de Universitatea de Tehnologie Chalmers, Suedia, a arătat că fibrele de carbon pot funcționa ca electrozi pentru baterii, stocând energia direct.

Acest lucru deschide noi oportunități pentru bateriile structurale, unde fibra de carbon devine parte a sistemului energetic. Utilizarea acestui tip de material multifuncțional poate contribui la o reducere semnificativă a greutății aeronavelor și vehiculelor din viitor - o provocare cheie pentru electrificare.

Avioanele de pasageri trebuie să fie mult mai ușoare decât sunt astăzi pentru a fi alimentate cu energie electrică. O reducere a greutății este, de asemenea, foarte importantă pentru vehicule pentru a extinde distanța de conducere per încărcare a bateriei.

Leif Asp, profesor de mecanică materială și computațională la Universitatea de Tehnologie Chalmers, efectuează cercetări privind capacitatea fibrelor de carbon de a îndeplini mai multe sarcini decât de a acționa pur și simplu ca material de întărire. Pot stoca energie, de exemplu.

„O caroserie nu ar fi pur și simplu un element portant, ci ar acționa și ca o baterie”, spune el. „De asemenea, va fi posibilă utilizarea fibrei de carbon în alte scopuri, cum ar fi recoltarea energiei cinetice, pentru senzori sau pentru conductori de energie și date. Dacă toate aceste funcții ar face parte dintr-o mașină sau o caroserie de aeronavă, aceasta ar putea reduce greutatea cu până la 50 la sută. ”

Asp a condus un grup multidisciplinar de cercetători care au publicat recent un studiu despre modul în care microstructura fibrelor de carbon le afectează proprietățile electrochimice - adică capacitatea lor de a funcționa ca electrozi într-o baterie litiu-ion. Până în prezent, acesta a fost un domeniu de cercetare neexplorat.

Leif Asp cu o bobină din fire de fibră de carbon. Electrozii dintr-o baterie structurală litiu-ion constau din fire din fibră de carbon dispuse într-o rețea într-un polimer (a se vedea ilustrația). Fiecare lungime a firului constă din 24.000 de fibre de carbon individuale.

Cercetătorii au studiat microstructura diferitelor tipuri de fibre de carbon disponibile comercial. Au descoperit că fibrele de carbon cu cristale mici și slab orientate au proprietăți electrochimice bune, dar o rigiditate mai mică în termeni relativi. Dacă comparați acest lucru cu fibrele de carbon care au cristale mari, foarte orientate, acestea au o rigiditate mai mare, dar proprietățile electrochimice sunt prea mici pentru a fi utilizate în bateriile structurale.

Acum știm cum ar trebui fabricate fibrele de carbon multifuncționale pentru a obține o capacitate ridicată de stocare a energiei, asigurând totodată o rigiditate suficientă ”, spune Asp. „O ușoară reducere a rigidității nu este o problemă pentru multe aplicații, cum ar fi mașinile. Piața este în prezent dominată de compozite scumpe din fibră de carbon a căror rigiditate este adaptată utilizării aeronavelor. Prin urmare, există un potențial aici pentru producătorii de fibre de carbon pentru a-și extinde utilizarea. ”

În studiu, tipurile de fibre de carbon cu proprietăți electrochimice bune aveau o rigiditate ușor mai mare decât oțelul, în timp ce tipurile ale căror proprietăți electrochimice erau slabe erau puțin de două ori mai rigide decât oțelul.

Cercetătorii colaborează atât cu industria auto, cât și cu cea a aviației. Leif Asp explică faptul că pentru industria aeronautică poate fi necesară creșterea grosimii compozitelor din fibră de carbon, pentru a compensa rigiditatea redusă a bateriilor structurale. La rândul său, acest lucru le-ar crește capacitatea de stocare a energiei.

„Cheia este optimizarea vehiculelor la nivel de sistem - pe baza greutății, rezistenței, rigidității și proprietăților electrochimice. Acesta este un mod de gândire nou pentru sectorul auto, care este mai obișnuit cu optimizarea componentelor individuale. Bateriile structurale pot să nu devină la fel de eficiente ca și bateriile tradiționale, dar din moment ce au o capacitate structurală de a suporta sarcina, se pot obține câștiguri foarte mari la nivelul sistemului. ”