Karbonfiber brukes først og fremst for sin lette vekt, og er verdsatt for sin styrke og stivhet. Men når Leif Asp ser på materialet, ser han en mulighet til å få det til å gjøre dobbeltarbeid på en måte som drastisk kan forbedre effektiviteten til biler og fly.
"Batteriet er en strukturell parasitt, " sier ingeniøren og professoren ved Chalmers teknologiske universitet i Sverige, noe som betyr at det tilfører vekt og saps effektivitet, uten å bidra til den fysiske styrken og strukturen i bilen som den driver. Men hva hvis kjøretøyene ble bygget av batterier?
Det er der Asp virkelig går med denne teknologien. Han vil se biler, fly, båter, til og med smartur og annen forbrukerelektronikk laget av et materiale som fungerer både som kroppen og energikilden - noe som kalles et "strukturelt batteri." En bil som inneholder strukturelle batterier kan veie opp til 50 prosent mindre enn en typisk EV som har tunge litiumionbatterier pakket under seg, sier Asp.
Det er ikke nytt at karbonfiber har elektrokjemiske egenskaper. I likhet med grafitt er materialet i visse konfigurasjoner i stand til konduktivitet. Forskere fra Chalmers University of Technology har søkt amerikansk patent på et batteri laget av karbonfiber, men det har vist seg å være vanskelig å få en til markedet for det lille antallet som studerer ideen. Ny forskning fra Asps team har identifisert et bestemt aspekt av materialet som gjør dets potensielle bruk som strukturelle batterier mye mer realistisk.
Leif Asp med en spole av karbonfibergarn (Johan Bodell, Chalmers teknologiske universitet) Alt karbon er imidlertid ikke skapt like, og forskjellige karbontyper har forskjellige egenskaper som gjør dem anvendelige til forskjellige bruksområder. Asp sitt mål er å forstå hva som oppfører seg hvordan og hvorfor, og anvende det på strukturelle applikasjoner.
"Karbonfibrene som er tilgjengelige på markedet, de er laget for strukturelle applikasjoner eller laget for elektriske applikasjoner, " sier han. Strukturelle applikasjoner er det vi er mest kjent med, fra karbonet som utgjør sykler og andre sterke, lette produkter, men elektriske komponenter er noen ganger laget av materialet også, om enn en annen type. Han tror det er karbon som kan gjøre begge deler.
I sin siste forskning sammenlignet Asp og hans samarbeidspartnere tre kompositter og undersøkte dem gjennom elektronmikroskopi og laserspektroskopi. De bygde fiberen inn i batterier, så på størrelsen og orienteringen til krystallene av karbonatomer bundet sammen i dem, og sammenlignet stivheten, styrken og elektrokjemiske egenskapene til de forskjellige materialene. Mindre krystaller, med mer desorientert struktur, har en tendens til å være mer elektrokjemisk reaktive - det vil si at de er mer i stand til å ta opp, lagre og frigjøre elektroner, og dermed fungere som batterier. Imidlertid er disse karbontypene mindre stive enn de med krystaller som er lengre og foret. (Uansett er de veldig små; Asp sammenlignet fiber med krystaller fra 18 til 28 ångstrømmer til krystaller fra 100 til 300 ångstrømmer, og en angstrøm er en ti milliardedels meter.)
Forskernes visjon er av kjøretøyer der en stor del av karosseriet eller flykroppen består av strukturelle litiumionbatterier. (Yen Strandqvist, Chalmers teknologiske universitet) Å bruke en karbonfiber som ofrer litt stivhet for å oppnå bedre ledningsevne, er kanskje ikke noe problem, fordi materialet fremdeles var stivere enn stål og i stand til å bære en strukturell belastning. Den vil heller ikke ha en lading like effektivt som tradisjonelle batterier, men da, hvis det meste av bilen består av ting, trenger det ikke å gjøre fordi den generelle effektiviteten fortsatt vil bli kraftig økt. Bransjepartnere som Airbus, som har jobbet med Asp siden 2015, omtaler dette som "masseløs energilagring."
Likevel er det teknologi som er lang vei fra å være praktisk - potensielt flere tiår, sier Adrian Mouritz, administrerende dekan ved ingeniørhøgskolen ved RMIT University i Melbourne. Mouritz arbeider også med strukturell energilagring ved bruk av karbonfiber, men hans arbeid legger inn litiumionbatterier i karbonade-smørbrød, og hjelper til med å bære noe av strukturell belastning og redusere dødvekten på batterier, men ikke så omfattende som Asps versjon.
“Tilnærmingen vi tar, komposittmaterialet er allerede bevist, selve batteriet er allerede bevist. Alt vi prøver å bevise er integrasjonen av batteriet i komposittet, som er et mye mindre skritt å ta, sier Mouritz. “Leif er… mer teknisk sammensatt, men fordelene på lengre sikt kommer til å bli sterkere. Det krever fortsatt mye mer forskning og utvikling for å optimalisere materialene og utformingen av det faktiske systemet. "
Asp og laboratoriet hans jobber for å gjøre det levedyktig allerede. Tidlig forskning (2014 og tidligere) modifiserte karbonfibre, introduserer en kappe av laminerte polymerelektrolytter som hjelper fiberen med å lagre og frigjøre ioner mer effektivt, på samme måte som et litiumionbatteri bruker en mellomliggende elektrolytt.
"For at dette skal fly, ville det selvfølgelig være lenge borte, " sier Asp. Han jobber med Airbus for å produsere en demo, for utgivelse neste år, som erstatter interiørlys og kabler med strukturell karbonfiber. Selv om den større vektbesparelsen kan være å eliminere behovet for drivstoff, noe Mouritz sier står for en tredjedel eller mer av et flyselskaps driftsbudsjett, vil Airbus-demoen være en illustrasjon på at teknologien er levedyktig.
Mouritz ser at teknologien først blir brukt på luksusbiler og Formel 1-racers, og bred adopsjon i forbrukermarkedet når prisen kommer ned og påliteligheten er bekreftet. "Hvis du kan lette flyene dine, hvis du kan lette bilen din, er den faktiske netto kostnadsbesparelsen for dette på hundrevis av millioner om ikke i milliarder av dollar, " sier han.
"Den andre tingen, selvfølgelig, " legger Mourtiz til, "er at hvis jeg reduserer forbrenningen min, reduserer jeg faktisk klimagassutslippene mine."
