Uhlíkové vlákno sa primárne používa pre svoju nízku hmotnosť a cenené pre svoju pevnosť a tuhosť. Ale keď sa Leif Asp pozrie na tento materiál, vidí príležitosť urobiť dvojitú službu spôsobom, ktorý by mohol drasticky zlepšiť účinnosť automobilov a lietadiel.
„Batéria je štrukturálny parazit, “ hovorí inžinier a profesor na Technickej univerzite v Chalmers vo Švédsku, čo znamená, že zvyšuje váhu a účinnosť zdĺh, bez toho, aby prispievalo k fyzickej sile a štruktúre vozidla, ktoré poháňa. Ale čo keby boli vozidlá vyrobené z batérií?
To je miesto, kde Asp skutočne ide s touto technológiou. Chce vidieť autá, lietadlá, člny, dokonca aj inteligentné hodinky a ďalšiu spotrebnú elektroniku, vyrobené z materiálu, ktorý pôsobí ako telo aj ako zdroj energie - niečo, čo sa nazýva „štrukturálna batéria“. percent menej ako typický EV, ktorý má pod sebou balené ťažké lítium-iónové batérie, hovorí Asp.
Nie je to správa, že uhlíkové vlákno má elektrochemické vlastnosti. Podobne ako grafit je tento materiál v určitých konfiguráciách schopný vodivosti. Vedci z Chalmers University of Technology požiadali o americký patent na batériu vyrobenú z uhlíkových vlákien, ale jeho uvedenie na trh sa ukázalo ako skutočne zložité pre malý počet ľudí študujúcich tento nápad. Nový výskum tímu Asp identifikoval konkrétny aspekt materiálu, vďaka ktorému je jeho potenciálne využitie ako štrukturálnych batérií oveľa realistickejšie.
Leif Asp s cievkou priadze z uhlíkových vlákien (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Všetok uhlík sa však nevytvára rovnaký a rôzne druhy uhlíka majú rôzne vlastnosti, vďaka ktorým sú použiteľné na rôzne použitia. Cieľom spoločnosti Asp je porozumieť tomu, čo sa chová ako a prečo, a aplikovať to na štrukturálne aplikácie.
„Uhlíkové vlákna, ktoré sú dostupné na trhu, boli vyrobené pre štrukturálne aplikácie alebo pre elektrické aplikácie, “ hovorí. Štrukturálne aplikácie sú to, čo poznáme najviac - od uhlíka, ktorý tvorí bicykle a iné silné, ľahké výrobky, ale elektrické komponenty sú niekedy vyrobené aj z materiálu, aj keď iného typu. Verí, že existuje uhlík, ktorý dokáže oboje.
Asp a jeho spolupracovníci vo svojom poslednom výskume porovnali tri kompozity a preskúmali ich pomocou elektrónovej mikroskopie a laserovej spektroskopie. Vlákno zabudovali do batérií, pozerali sa na veľkosť a orientáciu kryštálov atómov uhlíka, ktoré sú v nich navzájom spojené, a porovnali tuhosť, pevnosť a elektrochemické vlastnosti rôznych materiálov. Menšie kryštály s dezorientovanejšou štruktúrou majú tendenciu byť viac elektrochemicky reaktívne - to znamená, že sú schopné lepšie absorbovať, ukladať a uvoľňovať elektróny, a teda pôsobia ako batérie. Tieto druhy uhlíka sú však menej tuhé ako uhlíky s kryštálmi, ktoré sú dlhšie a zoradené. (Či tak alebo onak, sú veľmi malé; Asp porovnával vlákno s kryštálmi od 18 do 28 angstromov s kryštálmi od 100 do 300 angstromov a angstrom je jedna desať milióntina metra.)
Výskumní pracovníci vidia vozidlá, v ktorých veľká časť karosérie alebo trupu lietadla pozostáva zo štrukturálnych lítium-iónových batérií. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) Použitie uhlíkových vlákien, ktoré obetujú určitú tuhosť na dosiahnutie lepšej vodivosti, nemusí byť problém, pretože materiál bol stále tuhší ako oceľ a bol schopný niesť štrukturálne zaťaženie. To tiež nebude držať poplatok tak efektívne ako tradičné batérie, ale potom, ak väčšinu auta tvoria veci, nebude to musieť, pretože celková efektívnosť bude stále výrazne zvýšená. Priemyselní partneri, ako je Airbus, ktorý pracuje so spoločnosťou Asp od roku 2015, to označujú ako „hromadné ukladanie energie“.
Napriek tomu je to technológia, ktorá je ešte zďaleka praktická - možno desaťročia, hovorí Adrian Mouritz, výkonný dekan školy strojárstva na RMIT University v Melbourne. Mouritz pracuje aj na ukladaní štrukturálnej energie pomocou uhlíkových vlákien, ale jeho práca vnáša lítium-iónové batérie do sendvičov s uhlíkom, pomáha prenášať niektoré štrukturálne zaťaženie a znižuje mŕtvu hmotnosť batérií, aj keď nie tak extenzívne ako verzia Asp.
"Prístup, ktorý používame, kompozitný materiál je už preukázaný, samotná batéria je už overená." Všetko, čo sa snažíme dokázať, je integrácia batérie do kompozitu, čo je oveľa menší krok, ktorý treba urobiť, “hovorí Mouritz. „Leif's je… technicky zložitejší, ale jeho výhody z dlhodobého hľadiska budú silnejšie. Stále to vyžaduje oveľa viac výskumu a vývoja na optimalizáciu materiálov a dizajnu skutočného systému. “
Asp a jeho laboratórium sa usilujú o to, aby už bolo realizovateľné. Včasný výskum (2014 a predchádzajúce) modifikované uhlíkové vlákna zavedením plášťa z laminovaných polymérnych elektrolytov, ktorý pomáha vláknu účinnejšie ukladať a uvoľňovať ióny, rovnakým spôsobom, ako lítiovo-iónová batéria využíva intervenujúci elektrolyt.
"Aby to lietalo, bolo by to samozrejme príliš dlho, " hovorí Asp. Spolupracuje so spoločnosťou Airbus na vytvorení demoverzie, ktorá bude uvedená na trh budúci rok a ktorá nahradí vnútorné osvetlenie a káble štruktúrnym uhlíkovým vláknom. Hoci väčšie úspory hmotnosti by mohli byť v eliminácii potreby paliva, ktoré podľa Mouritza predstavuje jednu tretinu alebo viac prevádzkového rozpočtu leteckej spoločnosti, ukážka Airbusu bude ukážkou, že táto technológia je životaschopná.
Mouritz vidí technológiu, ktorá sa aplikuje na luxusné automobily a pretekárske automobily Formuly 1 ako prvý, a široké prijatie na spotrebiteľskom trhu, keď cena klesne a je potvrdená spoľahlivosť. „Ak dokážete odľahčiť svoje lietadlo, ak môžete odľahčiť svoje auto, skutočná úspora čistých nákladov je v stovkách miliónov, ak nie v miliardách dolárov, “ hovorí.
„Ďalšia vec, samozrejme, “ dodáva Mourtiz, „je to, že ak znížim horenie paliva, vlastne znížim svoje emisie skleníkových plynov.“
