Η πολυλειτουργική δομική μπαταρία από ανθρακονήματα αναπτύχθηκε με επιτυχία! Αναμένεται να αυξηθεί η γκάμα των ηλεκτρικών οχημάτων κατά 70%.
Όταν τα αυτοκίνητα, τα αεροπλάνα, τα πλοία ή οι υπολογιστές κατασκευάζονται με υλικό που μπορεί να χρησιμεύσει και ως μπαταρία και ως φέρουσα δομή, το βάρος και η κατανάλωση ενέργειας θα μειωθούν σημαντικά. Σύμφωνα με ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στις 10 στο τελευταίο τεύχος τουΠροηγμένα Υλικά, μια ερευνητική ομάδα από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers στη Σουηδία σημείωσε πρόοδο στην «αποθήκευση ενέργειας χωρίς μάζα» και ανέπτυξε μια πολυλειτουργική δομική μπαταρία από ανθρακονήματα. Αυτή η μπαταρία θα μπορούσε να μειώσει στο μισό το βάρος των φορητών υπολογιστών, να κάνει τα smartphone τόσο λεπτά όσο οι πιστωτικές κάρτες ή να αυξήσει την εμβέλεια των ηλεκτρικών οχημάτων κατά 70% με μία μόνο φόρτιση.
Ο Ricardo Chaudhry, ερευνητής στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers, δήλωσε ότι η δομική μπαταρία που ανέπτυξαν είναι κατασκευασμένη από σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, με ακαμψία συγκρίσιμη με το αλουμίνιο και ενεργειακή πυκνότητα επαρκή για εμπορική εφαρμογή. Μια δομική μπαταρία είναι ένα υλικό που μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια και να αντέξει φορτία. Το να γίνουν τα υλικά της μπαταρίας αναπόσπαστο μέρος της πραγματικής δομής του προϊόντος σημαίνει ότι προϊόντα όπως ηλεκτρικά οχήματα, drones, εργαλεία χειρός, φορητοί υπολογιστές και smartphone μπορούν να επιτύχουν μειωμένο βάρος.
Τα ηλεκτρικά οχήματα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από μεγάλες μπαταρίες ιόντων λιθίου για ταξίδια μεγάλων αποστάσεων. Ερευνητές στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers ήθελαν να δουν αν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια μπαταρία που να χρησιμεύει ως φέρον υλικό για να συγκρατεί το όχημα ενωμένο, ενώ παράλληλα μειώνει το βάρος. Ως μέρος του έργου «αποθήκευσης ενέργειας χωρίς μάζα», η σουηδική ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια μπαταρία κατασκευασμένη από σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα. Αυτή η μπαταρία έχει σκληρότητα παρόμοια με το αλουμίνιο και μπορεί να αποθηκεύσει σημαντική ποσότητα ενέργειας, καθιστώντας την κατάλληλη για εμπορική χρήση
Οι μπαταρίες από ανθρακονήματα αναμένεται να αποθηκεύουν ενέργεια και να υποστηρίζουν φορτία παρόμοια με τις μπαταρίες αλουμινίου.
Πράγματι, οι ίνες άνθρακα είναι γνωστές για το απίστευτο ελαφρύ, υψηλή αντοχή και υψηλή ακαμψία τους, καθιστώντας το μια δημοφιλή επιλογή στα δομικά και αισθητικά υλικά των οχημάτων υψηλών επιδόσεων. Παρά το υψηλό κόστος του, είναι επίσης ένα κρίσιμο υλικό στις αεροδιαστημικές εφαρμογές, όπου κάθε γραμμάριο μετράει. Ωστόσο, εάν έχει σχεδιαστεί με ηλεκτροχημική μηχανική για το σκοπό αυτό, μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως αποτελεσματικό υλικό ηλεκτροδίων. Με επικεφαλής τον καθηγητή Leif Asp, η ομάδα Chalmers ερευνούσε αυτήν την περιοχή για πολλά χρόνια και δημοσίευσε μια μελέτη το 2018 που απέδειξε για πρώτη φορά αυτή την ιδιότητα των ινών άνθρακα με μια συγκεκριμένη κρυσταλλική διάταξη.
Οι ερευνητές Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry και ο καθηγητής Leif Asp μελετούν την έννοια της αποθήκευσης ενέργειας χωρίς μάζα για πολλά χρόνια.
Η ενεργειακή πυκνότητα του νέου σχεδιασμού μπαταρίας είναι 30 Wh/kg, η οποία, σύμφωνα με τα πρότυπα του αυτοκινήτου, δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή. Για αναφορά, η ονομαστική ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας 53 kWh του Hyundai Ioniq 6 είναι 153 Wh/kg (PDF). Ωστόσο, αυτός ο αριθμός αντιπροσωπεύει μόνο την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας που βρίσκεται σε ένα κουτί. Για μια δίκαιη σύγκριση, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη το βάρος ολόκληρης της δομής του οχήματος. Ο σχεδιασμός αυτής της δομικής μπαταρίας από ανθρακονήματα στοχεύει στην αντικατάσταση ολόκληρου του πλαισίου, μειώνοντας το συνολικό βάρος του οχήματος ενώ ελευθερώνει χώρο.
Οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων και εξοπλισμού μπορούν να αξιοποιήσουν αυτή τη νέα εξίσωση είτε για να μειώσουν σημαντικά το βάρος του προϊόντος είτε να χρησιμοποιήσουν τον ελευθερωμένο χώρο για να προσθέσουν περισσότερες μπαταρίες, ενισχύοντας έτσι τη συνολική χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας.
Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι επαναστατικά στην πράξη. Ο Asp δήλωσε, "Διεξάγαμε υπολογισμούς για ηλεκτρικά οχήματα και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι εάν τα ηλεκτρικά οχήματα υιοθετούσαν ανταγωνιστικές δομικές μπαταρίες, ο χρόνος οδήγησής τους θα μπορούσε να παραταθεί κατά 70% σε σύγκριση με τα τρέχοντα μοντέλα."
Η σκληρότητα του τελευταίου πρωτοτύπου της ομάδας είναι σχεδόν τριπλάσια από εκείνη των προηγούμενων επαναλήψεων, με το μέτρο ελαστικότητας να αυξάνεται από 25 GPa σε 70 GPa. Η ομάδα ισχυρίζεται ότι η σκληρότητα και η φέρουσα ικανότητα του είναι πλέον συγκρίσιμες με το αλουμίνιο, αλλά είναι πολύ ελαφρύτερο.
Αυτός ο σχεδιασμός της μπαταρίας χρησιμοποιεί ανθρακονήματα τόσο στην άνοδο όσο και στην κάθοδο, η οποία χρησιμεύει επίσης για την ενίσχυση και τη μεταφορά του ηλεκτρισμού. Ως αποτέλεσμα, δεν υπάρχει ανάγκη για βαριά υλικά όπως ο χαλκός για τη δημιουργία συλλεκτών ρεύματος, ούτε απαιτείται η χρήση μετάλλων σύγκρουσης όπως το κοβάλτιο στο σχεδιασμό των ηλεκτροδίων.
Αυτός ο σχεδιασμός μπαταρίας χρησιμοποιεί υλικά από ανθρακονήματα τόσο για την άνοδο όσο και για την κάθοδο.
Επιπλέον, αυτή η μπαταρία χρησιμοποιεί έναν ημι-στερεό ηλεκτρολύτη αντί για έναν υγρό ηλεκτρολύτη για να διευκολύνει την κίνηση των ιόντων λιθίου μεταξύ των ακροδεκτών. Ως αποτέλεσμα, είναι λιγότερο εύφλεκτο και ασφαλέστερο στη χρήση - αν και η ερευνητική ομάδα αναγνωρίζει ότι εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις στο να επιτραπεί στα ιόντα να περάσουν γρήγορα μέσω του ηλεκτρολύτη για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις εφαρμογών υψηλής ισχύος. Απαιτείται περισσότερη έρευνα σε αυτόν τον τομέα.
Πράγματι, αυτό είναι απλώς ένα άλλο πρωτότυπο εργαστηριακής μπαταρίας, επομένως αυτά τα ηλεκτρικά οχήματα και συσκευές επόμενης γενιάς θα χρειαστούν αρκετά χρόνια για να αναπτυχθούν. Ωστόσο, η παραγωγή και η εμπορευματοποίηση μεγάλης κλίμακας βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη. Ήδη από το 2022, το πανεπιστήμιο συνεργάστηκε με την εταιρεία επιχειρηματικών κεφαλαίων Chalmers Ventures στο Γκέτεμποργκ για να ιδρύσει μια νέα εταιρεία που ονομάζεται Sinonus. Αυτή η εταιρεία διόρισε έναν νέο Διευθύνοντα Σύμβουλο τον Ιούνιο του τρέχοντος έτους για να προωθήσει την εμπορευματοποίηση της αποθήκευσης ενέργειας χωρίς μάζα, η οποία θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που κατασκευάζουμε αυτοκίνητα, gadget, ακόμη και πτερύγια ανεμογεννητριών.
Ο Asp δήλωσε, "Μπορούμε να οραματιστούμε κινητά τηλέφωνα που είναι τόσο λεπτά όσο μια πιστωτική κάρτα ή φορητούς υπολογιστές που ζυγίζουν μόνο το μισό από αυτό που κάνουν τώρα να είναι τα πιο κοντινά όσον αφορά το χρονοδιάγραμμα. Εξαρτήματα όπως ηλεκτρονικά σε αυτοκίνητα ή αεροπλάνα θα μπορούσαν επίσης να τροφοδοτούνται από δομικά στοιχεία Αυτό θα απαιτήσει σημαντικές επενδύσεις για να καλύψει τις απαιτητικές ενεργειακές απαιτήσεις της βιομηχανίας μεταφορών, αλλά εδώ η τεχνολογία μπορεί να έχει τον μεγαλύτερο αντίκτυπο».
