Uhlíkové vlákno se primárně používá pro svou nízkou hmotnost a ceněné pro svou pevnost a tuhost. Když se však Leif Asp podívá na tento materiál, vidí příležitost, aby to udělal dvojí povinnost způsobem, který by mohl výrazně zlepšit účinnost automobilů a letadel.
„Baterie je strukturální parazit, “ říká inženýr a profesor na Chalmers University of Technology ve Švédsku, což znamená, že zvyšuje hmotnost a efektivitu mízy, aniž by přispívalo k fyzické síle a struktuře vozu, který pohánějí. Ale co kdyby byla vozidla vyrobena z baterií?
To je místo, kde Asp opravdu jde s touto technologií. Chce vidět auta, letadla, lodě, dokonce i chytré hodinky a další spotřební elektroniku vyrobené z materiálu, který působí jak jako tělo, tak jako zdroj energie - něco, co se nazývá „strukturální baterie“. Auto s konstrukčními bateriemi by mohlo vážit až 50 procent méně než typická EV, která má pod sebou zabalené těžké lithium-iontové baterie, říká Asp.
Není to novinka, že uhlíkové vlákno má elektrochemické vlastnosti. Stejně jako grafit je materiál v určitých konfiguracích schopen vodivosti. Vědci z Chalmers University of Technology požádali o americký patent na baterii vyrobenou z uhlíkových vláken, ale ve skutečnosti uvedení jednoho na trh se ukázalo jako složité pro malý počet lidí studujících tento nápad. Nový výzkum týmu Asp identifikoval konkrétní aspekt materiálu, díky kterému je jeho potenciální využití jako strukturálních baterií mnohem realističtější.
Leif Asp s cívkou z uhlíkových vláken (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Veškerý uhlík však není vytvořen rovnocenný a různé typy uhlíku mají různé vlastnosti, díky nimž jsou použitelné pro různá použití. Cílem Asp je pochopit, co se chová jak a proč, a aplikovat to na strukturální aplikace.
"Uhlíková vlákna, která jsou dostupná na trhu, byla vyrobena pro strukturální aplikace nebo pro elektrické aplikace, " říká. Strukturální aplikace jsou to, co jsme nejvíce obeznámeni, od uhlíku, který tvoří kola a další silné, lehké výrobky, ale elektrické komponenty jsou někdy vyrobeny také z materiálu, i když jiného typu. Věří, že existuje uhlík, který dokáže obojí.
Asp a jeho spolupracovníci ve svém posledním výzkumu porovnali tři kompozity a zkoumali je elektronovou mikroskopií a laserovou spektroskopií. Vlákno zabudovalo do baterií, podívalo se na velikost a orientaci krystalů atomů uhlíku, které jsou v nich spojeny, a porovnalo tuhost, sílu a elektrochemické vlastnosti různých materiálů. Menší krystaly s více dezorientovanou strukturou mají tendenci být více elektrochemicky reaktivní - to znamená, že jsou schopny více absorbovat, ukládat a uvolňovat elektrony, a tak působí jako baterie. Tyto druhy uhlíku jsou však méně tuhé než ty s krystaly, které jsou delší a seřazené. (Ať tak či onak, jsou velmi malé; Asp porovnával vlákno s krystaly od 18 do 28 angstromů s krystaly od 100 do 300 angstromů a angstrom je jedna deset miliardtina metru.)
Vize vědců je vozidel, kde velká část karoserie nebo trupu letadla sestává ze strukturních lithium-iontových baterií. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) Použití uhlíkového vlákna, které obětuje určitou tuhost k dosažení lepší vodivosti, nemusí být problém, protože materiál byl stále tužší než ocel a byl schopen nést strukturální zatížení. To také nebude držet poplatek tak efektivně jako tradiční baterie, ale pak, pokud je většina vozu vyrobena z věcí, nebude to muset, protože celková účinnost bude stále výrazně zvýšena. Průmysloví partneři, jako je Airbus, který s Asp pracuje od roku 2015, to označují jako „hromadné ukládání energie“.
Přesto je to technologie, která je daleko od praktičnosti - možná desetiletí, říká Adrian Mouritz, výkonný děkan strojní školy na RMIT University v Melbourne. Mouritz také pracuje na ukládání strukturální energie pomocí uhlíkových vláken, ale jeho práce vkládá lithium-iontové baterie do sendvičů uhlíku, pomáhá nést část strukturální zátěže a snižuje mrtvou hmotnost baterií, i když ne tak rozsáhle jako Aspova verze.
"Přístup, který používáme, kompozitní materiál je již osvědčený, samotná baterie je již osvědčená." Snažíme se prokázat pouze integraci baterie do kompozitu, což je mnohem menší krok, “říká Mouritz. „Leif's je… technicky složitější, ale jeho přínosy v dlouhodobém horizontu budou silnější. Stále to vyžaduje mnohem více výzkumu a vývoje, aby bylo možné optimalizovat materiály a design skutečného systému. “
Asp a jeho laboratoř se již snaží, aby byla životaschopná. Včasný výzkum (2014 a předchozí) modifikovaná uhlíková vlákna, zavádějící plášť laminovaných polymerních elektrolytů, který pomáhá vláknu ukládat a uvolňovat ionty efektivněji, stejně jako lithium-iontová baterie používá intervenující elektrolyt.
"Aby to letělo, samozřejmě by to bylo dlouho pryč, " říká Asp. Spolupracuje s Airbusem na výrobě dema, které má být vydáno příští rok a které nahrazuje vnitřní světla a kabely strukturálním uhlíkovým vláknem. Ačkoli větší úspory hmotnosti by mohly být v eliminaci potřeby paliva, což podle Mouritze odpovídá za jednu třetinu nebo více provozního rozpočtu letecké společnosti, ukázka Airbusu bude ukázkou toho, že tato technologie je životaschopná.
Mouritz vidí technologii, která je aplikována na luxusní auta a závodní vozy Formule 1, a široké přijetí na spotřebitelském trhu, jakmile cena klesne a je potvrzena spolehlivost. "Pokud dokážete odlehčit své letadlo, můžete-li odlehčit svůj automobil, je skutečná úspora čistých nákladů ve stovkách milionů, ne-li v miliardách dolarů, " říká.
"Další věc, samozřejmě, " dodává Mourtiz, "je, že pokud snižuji své spalování paliva, vlastně snižuji své emise skleníkových plynů."
