Хранение энергии считается одной из самых значительных проблем на пути к реализации электрических транспортных средств. Существующие батареи с целью увеличения грузоподъемности и пробега выполняют все большей емкости, а, соответственно, увеличивается их вес и габариты. Но, если удастся уменьшить массу батареи, то и пробег автомобиля при равной емкости увеличится.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса создали структурную батарею, которая выполняет функции не только накопителя электрической энергии, но и несущего элемента кузова. Новая конструкция работает в десять раз лучше, чем все предыдущие версии подобных систем. Структурная батарея содержит углеродное волокно, которое одновременно служит электродом, проводником и несущим материалом.
Данный научный прорыв открывает путь к практически безмассовому хранению энергии, как в транспортных средствах, так и в других технологиях.
Аккумуляторы в современных электромобилях составляют большую часть веса транспортных средств, не выполняя при этом никакой несущей функции. С другой стороны, структурная батарея - это батарея, которая работает и как источник энергии, и как часть конструкции, например, в кузове автомобиля. Это называется «безмассовым» накопителем энергии, потому что, по сути, вес аккумулятора исчезает, когда он становится частью несущей конструкции. Расчеты показывают, что такой тип многофункционального аккумулятора может значительно снизить вес электромобиля или электросамолета.
Разработка структурных батарей в Технологическом университете Чалмерса продолжалась в течение многих лет исследований, включая предыдущие открытия, связанные с определенными типами углеродного волокна. Помимо того, что они жесткие и прочные, они также обладают хорошей способностью накапливать электрическую энергию химическим способом.
Первая попытка создать конструктивную батарею была предпринята еще в 2007 году, но до сих пор задача производить батареи, которые одновременно обладали бы хорошими электрическими и механическими свойствами не была решена.
Ячейка батареи состоит из электрода из углеродного волокна и электрода из фосфата лития, и железа, разделенных стекловолоконной тканью, пропитанных структурным электролитом батареи для обеспечения комбинированной механической и электрической функции. Каждый структурный элемент батареи имеет номинальное напряжение 2,8 В, а сборка - 8,4 В, при этом жесткость в плоскости чуть более 28 ГПа.
Исследователи разработали структурную батарею со свойствами, которые намного превосходят все, что когда-либо были достигнуты, с точки зрения хранения электроэнергии, жесткости и прочности. Его многофункциональные характеристики в десять раз выше, чем у предыдущих прототипов структурных батарей.
Батарея имеет плотность энергии 24 Вт·ч / кг, что означает примерно 20-процентную емкость по сравнению с сопоставимыми литий-ионными батареями, доступными в настоящее время. Но поскольку вес транспортных средств может быть значительно уменьшен, для движения электромобиля потребуется меньше энергии. А с жесткостью 28 ГПа структурная батарея действительно может конкурировать со многими другими широко используемыми конструкционными материалами.
Предыдущие попытки создать структурные батареи привели к получению элементов либо с хорошими механическими свойствами, либо с хорошими электрическими свойствами. Но в новой конструкции, используя углеродное волокно, ученым удалось разработать конструктивную батарею с конкурентоспособной емкостью хранения энергии и высокой жесткостью. Сверхлегкие электромобили, электросамолеты и даже электрические велосипеды и бытовая электроника скоро могут стать реальностью и питаться от структурных батарей.
Несмотря на успех в создании структурной батареи, которая в десять раз лучше, чем все предыдущие, исследователи не выбирали материалы, чтобы побить рекорды - скорее, они хотели исследовать и понять влияние архитектуры материала и толщины разделителя.
Ключевым моментом является оптимизация транспортных средств на системном уровне - на основе веса, прочности, жесткости и электрохимических свойств.
Сейчас реализуется новый проект, в котором характеристики структурной батареи будут еще больше увеличены. Алюминиевая фольга будет заменена углеродным волокном в качестве несущего материала в положительном электроде, обеспечивая как повышенную жесткость, так и высокую плотность энергии. Сепаратор из стекловолокна будет заменен ультратонким элементом, который даст гораздо больший эффект, а также более быстрые циклы зарядки. По прогнозам такая батарея может достичь плотности энергии 75 Вт·ч / кг и жесткости 75 ГПа. Это сделает батарею такой же прочной, как алюминий, но при меньшем общем весе.
Ожидается, что новый проект будет завершен в течение двух лет.
