Видоизмененный углерод: шведские ученые изобрели невесомый аккумулятор из карбона

Современные батареи существенно влияют на вес как потребительской электроники, так и электротранспорта (авто, самолетов и пр.). Ученые из Технологического университета Чалмерса (Швеция) работают над альтернативным аккумуляторам вот уже несколько лет и недавно они достигли хороших результатов. Исследователи презентовали действующий концепт батареи нового типа, которая может одновременно работать как источник энергии и как структурный компонент электромобиля.

Почему карбон?

Исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса потратила годы на изучение идеи о том, что батареи могут использоваться в качестве структурных компонентов для экономии веса при проектировании транспортных средств. Углеродное волокно (карбон) является ключевым элементом этого исследования благодаря своим превосходным механическим свойствам, а также его способности действовать как электродный материал при правильной разработке, передает newatlas.com.

В 2018 году ученые опубликовали научную статью, описывающую форму углеродного волокна с особым расположением кристаллов, обеспечивающим как необходимую жесткость для конструкции транспортного средства, так и необходимые электрохимические характеристики для сохранения энергии. Позже исследователи создали структурную батарею на основе углеродного волокна, которая, по их словам, работает в 10 раз лучше, чем предыдущие версии.

Как работает углеродная батарея?

Батарея состоит из отрицательного электрода из углеродного волокна и положительного электрода из алюминиевой фольги, покрытой фосфатом литий-железа. Они разделены стекловолоконной тканью, которая служит структурной матрицей электролита, которая переносит ионы лития между электродами, как в обычной батарее, но также помогает распределять механические нагрузки на различные части конструкции.

Исследователи описывают это как "безмассовое" устройство хранения энергии, потому что, в отличие от обычной батареи, оно не добавляет автомобилю лишнего веса, по крайней мере, теоретически. Однако здесь есть нюансы. Например, батарея имеет плотность энергии 24 Вт·ч/кг, что, как отмечает команда, составляет около 20% емкости современных литий-ионных аккумуляторов.

С другой стороны, если бы этот аккумулятор был встроен в электромобиль вместо обычного литий-ионного, то автомобиль весил бы намного меньше и, следовательно, требовал бы меньше энергии. Что касается механических свойств, то, по словам ученых, этот материал имеет жесткость 25 гПа (гектопаскаль, равен 100 паскалям) и может конкурировать с другими широко используемыми строительными материалами.

"Предыдущие попытки приводили к тому, что мы получали либо аккумуляторы с хорошими механическими свойствами, либо с хорошими электрическими свойствами, — комментирует Лейф Асп, руководитель проекта. — Но в данном случае, используя углеродное волокно, нам удалось разработать структурную батарею, имеющую оба эти свойства".

Исследователи говорят, что этот новый дизайн предлагает десятикратное улучшение производительности по сравнению с предыдущими концептами структурных батарей.

Что дальше?

Следующий этап исследований включает замену алюминия в положительном электроде на углеродное волокно для дальнейшего улучшения механических характеристик, а стеклоткань будет заменена более тонкой версией, что ускорит процесс зарядки.

Лейф Асп предполагает, что карбоновый аккумулятор может иметь плотность энергии до 75 Втч/кг и жесткость энергии 75 гПа, что делает его таким же прочным, как и алюминиевый, но намного легче. А это значит, что электротранспорт и бытовая электроника в будущем станут намного легче, что повлияет на многие свойства, в том числе и дизайн.

"Структурная батарея следующего поколения имеет фантастический потенциал, — говорит он. — Если вы посмотрите на потребительские технологии, через несколько лет, возможно, начнут производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и станут более компактными".

Ранее мы сообщали о том, что Volkswagen вдвое снизит стоимость батарей для электромобилей.