A világ legerősebb akkumulátora utat nyit a könnyű, energiahatékony járművek számára
Ha autókat, repülőket, hajókat vagy számítógépeket építenek olyan anyagból, amely akkumulátorként és teherhordó szerkezetként is funkcionál, a tömeg és az energiafogyasztás radikálisan csökken. A svéd Chalmers Műszaki Egyetem kutatócsoportja most az úgynevezett tömeg nélküli energiatárolás terén mutat be világelső előrelépést – egy olyan szerkezeti akkumulátort, amely felére csökkentheti a laptop súlyát, a mobiltelefont olyan vékonysá teheti, mint egy hitelkártya, vagy növelheti egy elektromos autó hatótávolsága akár 70 százalékkal is megnőhet egyetlen töltéssel.
“Sikerült létrehoznunk egy szénszálas kompozitból készült akkumulátort, amely olyan merev, mint az alumínium, és elég energiasűrű ahhoz, hogy kereskedelmi forgalomban lehessen használni. Csakúgy, mint egy emberi csontváznak, az akkumulátornak is több funkciója van egyszerre” – mondja Richa, a Chalmers kutatója. Chaudhary, aki az Advanced Materialsban nemrég megjelent tudományos cikk első szerzője.
A szerkezeti akkumulátorok kutatása hosszú évek óta folyik a Chalmers-ben, és bizonyos szakaszokban a stockholmi KTH Királyi Technológiai Intézet kutatóival együtt is. Amikor Leif Asp professzor és munkatársai 2018-ban közzétették első eredményeiket arról, hogy a merev, erős szénszálak milyen módon képesek kémiailag tárolni az elektromos energiát, az előrelépés nagy figyelmet keltett. Széles körben elterjedt a hír, hogy a szénszál elektródaként is funkcionálhat a lítium-ion akkumulátorokban, és az eredményt a tekintélyes Physics World az év tíz legnagyobb áttörése közé sorolta.
Az alacsonyabb súly kevesebb energiát igényel
Azóta a kutatócsoport továbbfejlesztette koncepcióját a merevség és az energiasűrűség növelése érdekében. Az előző mérföldkövet 2021-ben érték el, amikor az akkumulátor energiasűrűsége 24 wattóra/kg (Wh/kg) volt, ami nagyjából egy hasonló lítium-ion akkumulátor kapacitásának 20 százalékát jelenti. Most akár 30 Wh/kg. Bár ez még mindig alacsonyabb, mint a mai akkumulátoroké, a körülmények egészen mások. Ha az akkumulátor a szerkezet része, és könnyű anyagból is készülhet, a jármű össztömege jelentősen csökken. Ekkor közel sem kell annyi energia például egy elektromos autó működtetéséhez.
“A könnyű és energiahatékony járművekbe való befektetés magától értetődő dolog, ha energiát akarunk takarékoskodni, és a jövő generációira gondolunk. Számításokat végeztünk az elektromos autókkal kapcsolatban, amelyek azt mutatják, hogy akár 70 százalékkal tovább vezethetnének a jelenleginél, ha versenyképes szerkezeti elemekkel rendelkeztek” – mondja Leif Asp, a kutatás vezetője, a Chalmers-i Ipar- és Anyagtudományi Tanszék professzora.
Ami a járműveket illeti, természetesen magas követelményeket támasztanak a kialakítással szemben, hogy kellően erős legyen a biztonsági követelmények teljesítéséhez. Ott a kutatócsoport szerkezeti akkumulátorcellája jelentősen megnövelte a merevségét, pontosabban a rugalmassági modulusát, amelyet gigapascalban (GPa) mérnek, 25-ről 70-re. Ez azt jelenti, hogy az anyag ugyanolyan jól bírja a terhelést, mint az alumínium, de kisebb súllyal.
„A többfunkciós tulajdonságokat tekintve az új akkumulátor kétszer olyan jó, mint elődje – és valójában a valaha készült legjobb a világon” – mondja Leif Asp, aki 2007 óta kutat szerkezeti akkumulátorokkal.
Több lépés a kommercializáció felé
Kezdettől fogva az volt a cél, hogy olyan teljesítményt érjünk el, amely lehetővé teszi a technológia kereskedelmi forgalomba hozatalát. Azzal párhuzamosan, hogy a kutatás most folytatódik, erősödött a kapcsolat a piaccal – az újonnan indult Chalmers Venture cég, a svédországi borås-i Sinonus AB révén.
Azonban még sok mérnöki munka vár még arra, hogy az akkumulátorcellák megtegyék a lépést a kisüzemi laboratóriumi gyártástól a technológiai kütyüink vagy járműveink nagyüzemi gyártásáig.
“Elképzelhető, hogy a hitelkártya-vékony mobiltelefonok vagy laptopok, amelyek súlya fele akkora, mint ma, vannak időben a legközelebb. Az is előfordulhat, hogy az autók vagy repülők elektronikája szerkezeti elemekkel működik. befektetések a közlekedési ágazat kihívást jelentő energiaigényeinek kielégítésére, de a technológia is itt hozhatja a legtöbbet” – mondja Leif Asp, aki nagy érdeklődést tapasztalt az autóipar és a repülőgépipar részéről.
Bővebben: Kutatási és szerkezeti akkumulátorok
A szerkezeti akkumulátorok olyan anyagok, amelyek az energia tárolásán túl terhelést is hordozhatnak. Így az akkumulátor anyaga a termék tényleges építőanyagának részévé válhat, ami azt jelenti, hogy jóval kisebb tömeg érhető el például elektromos autókon, drónokon, kéziszerszámokon, laptopokon és mobiltelefonokon.
Az e téren elért legújabb eredményeket az Advanced Materials folyóiratban megjelent cikkben tették közzé : Unveiling the Multifunctional Carbon Fiber Structural Battery . A szerzők Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia és Leif Asp a Chalmers Műszaki Egyetemen.
A kifejlesztett akkumulátorkoncepció kompozit anyagon alapul, és pozitív és negatív elektródaként szénszálat tartalmaz – ahol a pozitív elektródát lítium-vas-foszfáttal vonják be. A korábbi akkumulátor koncepció bemutatásakor a pozitív elektróda magja alumíniumfóliából készült.
Az elektróda anyagában használt szénszál többfunkciós. Az anódban erősítésként, valamint elektromos kollektorként és aktív anyagként működik. A katódban erősítőként, áramgyűjtőként és állványként működik, amelyre a lítium épülhet. Mivel a szénszál vezeti az elektronáramot, csökken a (például) rézből vagy alumíniumból készült áramkollektorok szükségessége, ami tovább csökkenti a teljes tömeget. Nincs szükség úgynevezett konfliktusfémekre, például kobaltra vagy mangánra sem a választott elektróda kialakításánál.
Az akkumulátorban a lítium-ionok a folyékony elektrolit helyett egy félig szilárd elektroliton keresztül jutnak el az akkumulátor kivezetései között, ami nagy teljesítmény elérése során kihívást jelent, és ehhez további kutatásokra van szükség. Ugyanakkor a kialakítás hozzájárul az akkumulátorcella biztonságának növeléséhez, csökkentve a tűzveszélyt.
A kutatást a Wallenberg Initiative Material Science for Sustainability (WISE) program finanszírozta.
https://www.instagram.com/begurulva_podcast
Tudtad?
A Mi az a blogger pont hu, az Egyszer már láttam autót pont hu, a Teszt a lelke mindennek pont hu, a GaszTROLL pont hu és a Trollverda pont hu honlapok, valamint a Begurulva – autó és kütyümustra és a podCARs pont hu podcast csatornák a Médiabirodalom lapcsoporthoz tartoznak!
