Видозмінений вуглець: шведські вчені винайшли невагомий акумулятор з карбону

Сучасні батареї суттєво впливають на вагу як споживчої електроніки, так і електротранспорту (авто, літаків та ін.). Вчені з Технологічного університету Чалмерса (Швеція) працюють над альтернативним акумулятором ось уже кілька років і нещодавно вони досягли хороших результатів. Дослідники презентували діючий концепт батареї нового типу, яка може одночасно працювати як джерело енергії і як структурний компонент електромобіля.

Чому карбон?

Дослідницька група з Технологічного університету Чалмерса витратила роки на вивчення ідеї про те, що батареї можуть використовуватися як структурні компоненти для економії ваги при проектуванні транспортних засобів. Вуглецеве волокно (карбон) є ключовим елементом цього дослідження завдяки своїм чудовим механічними властивостями, а також його здатності діяти як електродний матеріал при правильній розробці, передає newatlas.com.

У 2018 році вчені опублікували наукову статтю, що описує форму вуглецевого волокна з особливим розташуванням кристалів, що забезпечує як необхідну жорсткість для конструкції транспортного засобу, так і необхідні електрохімічні характеристики для збереження енергії. Пізніше дослідники створили структурну батарею на основі вуглецевого волокна, яка, за їхніми словами, працює у 10 разів краще, ніж попередні версії.

Як працює вуглецева батарея?

Батарея складається з негативного електрода з вуглецевого волокна і позитивного електрода з алюмінієвої фольги, покритої фосфатом літій-заліза. Вони розділені скловолоконною тканиною, яка служить структурною матрицею електроліту, що переносить іони літію між електродами, як у звичайній батареї, але також допомагає розподіляти механічні навантаження на різні частини конструкції.

Дослідники описують це як "безмасовий" пристрій зберігання енергії, тому що, на відміну від звичайної батареї, він не додає автомобілю зайвої ваги, принаймні, теоретично. Однак тут є нюанси. Наприклад, батарея має щільність енергії 24 Вт·год/кг, що, як зазначає команда, становить близько 20% ємності сучасних літій-іонних акумуляторів.

З іншого боку, якби цей акумулятор був вбудований в електромобіль замість звичайного літій-іонного, то автомобіль важив би набагато менше а, отже, вимагав би менше енергії. Що стосується механічних властивостей, то, за словами вчених, цей матеріал має жорсткість 25 гПа (гектопаскаль, дорівнює 100 Паскаль) і може конкурувати з іншими широко використовуваними будівельними матеріалами.

"Попередні спроби приводили до того, що ми отримували або акумулятори з хорошими механічними властивостями, або з хорошими електричними властивостями, — коментує Лейф Асп, керівник проекту. — Але у цьому випадку, використовуючи вуглецеве волокно, нам вдалося розробити структурну батарею, що має обидві ці властивості".

Дослідники говорять, що цей новий дизайн пропонує десятикратне поліпшення продуктивності порівняно з попередніми концептами структурних батарей.

Що далі?

Наступний етап досліджень включає заміну алюмінію у позитивних пластинах на вуглецеве волокно для майбутнього поліпшення механічних характеристик, а склотканину замінять більш тонкою версією, що прискорить процес зарядки.

Лейф Асп передбачає, що карбоновий акумулятор може мати щільність енергії до 75 Втч/кг і жорсткість енергії 75 гПа, що робить його таким же міцним, як і алюмінієвий, але набагато легше. А це означає, що електротранспорт і побутова електроніка у майбутньому стануть набагато легшими, що вплине на багато властивостей, зорема і дизайн.

"Структурна батарея наступного покоління має фантастичний потенціал, — говорить він. — Якщо ви подивитеся на споживчі технології, через кілька років, можливо, почнуть виробляти смартфони, ноутбуки або електричні велосипеди, які важитимуть удвічі менше, ніж сьогодні, і стануть компактнішими" .

Раніше ми повідомляли про те, що Volkswagen удвічі знизить вартість батарей для електромобілів.