Pramonės naujienos

Didelis proveržis „be masės“ energijos kaupimui: struktūrinė baterija, kuri veikia 10 kartų geriau nei visos ankstesnės versijos

2021-06-18
TEMOS: Baterijų technologija, Chalmerso technologijos universitetas, energetika, medžiagų mokslas, populiarus
CHALMERS TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS 2021 m. Kovo 24 d



Struktūriniai akumuliatorių kompozitai negali sukaupti tiek energijos, kiek ličio jonų akumuliatoriai, tačiau turi keletą savybių, dėl kurių jie yra labai patrauklūs naudoti transporto priemonėse ir kitose srityse. Kai akumuliatorius tampa laikančiosios konstrukcijos dalimi, akumuliatoriaus masė iš esmės dingsta. Kreditas: Yen Strandqvist/Chalmerso technologijos universitetas.

Chalmerso technologijos universiteto mokslininkai pagamino konstrukcinę bateriją, kuri veikia dešimt kartų geriau nei visos ankstesnės versijos. Jame yra anglies pluošto, kuris vienu metu tarnauja kaip elektrodas, laidininkas ir nešanti medžiaga. Naujausias jų mokslinių tyrimų laimėjimas atveria kelią iš esmės „masiniam“ energijos kaupimui transporto priemonėse ir kitoms technologijoms.

Šiuolaikinių elektromobilių akumuliatoriai sudaro didelę transporto priemonės svorio dalį, neatlikdami jokios apkrovos laikymo funkcijos. Kita vertus, konstrukcinė baterija veikia tiek kaip energijos šaltinis, tiek kaip konstrukcijos dalis, pavyzdžiui, automobilio kėbule. Tai vadinama „be masės“ energijos kaupimu, nes iš esmės akumuliatoriaus svoris dingsta, kai jis tampa laikančiosios konstrukcijos dalimi. Skaičiavimai rodo, kad tokio tipo daugiafunkcinės baterijos gali labai sumažinti elektrinės transporto priemonės svorį.

Chalmerso technologijos universiteto struktūrinių baterijų kūrimas buvo atliktas daugelį metų atliekant tyrimus, įskaitant ankstesnius atradimus, susijusius su tam tikros rūšies anglies pluoštu. Jie yra ne tik standūs ir stiprūs, bet ir geba chemiškai kaupti elektros energiją. „Physics World“ šį darbą pavadino vienu iš dešimties didžiausių 2018 m. Mokslo laimėjimų.

Pirmasis bandymas pagaminti konstrukcinį akumuliatorių buvo dar 2007 m., Tačiau iki šiol pasirodė sunku gaminti baterijas, turinčias geras elektrines ir mechanines savybes.



Gydytoja Johanna Xu su naujai pagamintu struktūriniu akumuliatoriaus elementu Chalmers sudėtinėje laboratorijoje, kurią ji parodo Leifui Asp. Elementą sudaro anglies pluošto elektrodas ir ličio geležies fosfato elektrodas, atskirti stiklo pluošto audiniu, visi impregnuoti struktūriniu akumuliatoriaus elektrolitu, kad būtų galima kartu atlikti mechanines ir elektrines funkcijas. Trys struktūrinės baterijos buvo sujungtos nuosekliai ir laminuotos kaip didesnio sudėtinio laminato dalis. Kiekvienos konstrukcinės baterijos elemento vardinė įtampa yra 2,8 V. Laminato bendra įtampa yra 8,4 V, o standumas plokštumoje yra šiek tiek didesnis nei 28 GPa. Kreditas: Marcusas Folino, Chalmerso technologijos universitetas.

Tačiau dabar plėtra žengė realų žingsnį į priekį, Chalmerso tyrėjai, bendradarbiaudami su KTH Karališkuoju technologijos institutu Stokholme, pristatė konstrukcinę bateriją, kurios savybės gerokai viršija bet kokias dar matytas savybes, susijusias su elektros energijos kaupimu, standumu ir stiprumu . Jo daugiafunkcinis veikimas yra dešimt kartų didesnis nei ankstesnių struktūrinių akumuliatorių prototipų.

Baterijos energijos tankis yra 24 Wh/kg, o tai reiškia maždaug 20 procentų talpos, palyginti su šiuo metu turimomis panašiomis ličio jonų baterijomis. Bet kadangi transporto priemonių svoris gali būti gerokai sumažintas, pavyzdžiui, norint vairuoti elektromobilį, reikės mažiau energijos, o mažesnis energijos tankis taip pat padidina saugumą. O esant 25 GPa standumui, konstrukcinė baterija tikrai gali konkuruoti su daugeliu kitų dažniausiai naudojamų statybinių medžiagų.

„Ankstesni bandymai gaminti konstrukcines baterijas lėmė, kad elementai pasižymi geromis mechaninėmis savybėmis arba geromis elektrinėmis savybėmis. Tačiau čia, naudojant anglies pluoštą, mums pavyko sukurti konstrukcinę bateriją, pasižyminčią konkurencingu energijos kaupimo pajėgumu ir standumu “, - aiškina„ Chalmers “profesorius ir projekto vadovas Leifas Aspas.



Super lengvi elektriniai dviračiai ir buitinė elektronika netrukus gali tapti realybe

Naujoji baterija turi neigiamą elektrodą, pagamintą iš anglies pluošto, ir teigiamą elektrodą, pagamintą iš ličio geležies fosfatu padengtos aliuminio folijos. Jie yra atskirti stiklo pluošto audiniu, elektrolito matricoje. Nepaisant to, kad jiems pavyko sukurti dešimt kartų geresnę konstrukcinę bateriją nei visi ankstesni, mokslininkai nepasirinko medžiagų, kad galėtų sumušti rekordus, o norėjo ištirti ir suprasti medžiagos architektūros ir separatoriaus storio poveikį.

Dabar vykdomas naujas Švedijos nacionalinės kosmoso agentūros finansuojamas projektas, kurio metu dar labiau padidės struktūrinės baterijos veikimas. Aliuminio folija bus pakeista anglies pluoštu kaip laikančioji medžiaga teigiamame elektrode, užtikrinanti didesnį standumą ir energijos tankį. Stiklo pluošto separatorius bus pakeistas itin plonu variantu, kuris suteiks daug didesnį efektą-taip pat pagreitins įkrovimo ciklus. Tikimasi, kad naujas projektas bus baigtas per dvejus metus.

Leifas Aspas, kuris taip pat vadovauja šiam projektui, mano, kad tokios baterijos energijos tankis gali siekti 75 Wh/kg, o standumas - 75 GPa. Dėl to akumuliatorius būtų toks pat tvirtas kaip aliuminis, tačiau jo svoris būtų daug mažesnis.



Leifas Aspas, Chalmerso technologijos universiteto Pramonės ir medžiagų mokslų katedros profesorius. Jis paskelbė savo pirmąjį straipsnį apie struktūrines baterijas 2010 m., Ir dabar jam pavyko pademonstruoti daugiafunkcinį našumą, kuris yra dešimt kartų didesnis nei bet kurio ankstesnio struktūrinio akumuliatoriaus prototipo. Kreditas: Marcusas Folino, Chalmerso technologijos universitetas.

â € œKitos kartos konstrukcinis akumuliatorius turi fantastišką potencialą. Jei pažvelgsite į vartotojų technologijas, per kelerius metus gali būti visiškai įmanoma pagaminti išmaniuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius ar elektrinius dviračius, kurie sveria perpus mažiau nei šiandien ir yra daug kompaktiškesni “, - sako Leifas Aspas.
Ir ilgainiui visiškai įsivaizduojama, kad elektromobiliai, elektriniai lėktuvai ir palydovai bus kuriami naudojant struktūrines baterijas ir maitinami iš jų.

„Čia mus riboja tik mūsų vaizduotė. Skelbdami mūsų mokslo straipsnius šioje srityje, sulaukėme daug įvairių įmonių rūšių dėmesio. Suprantama, kad šios lengvos, daugiafunkcinės medžiagos yra labai susidomėjusios “, - sako Leifas Aspas.

Nuoroda: „Struktūrinė baterija ir jos daugiafunkcinis našumas“, autoriai Leifas E. Aspas, Karlas Boutonas, Davidas Carlstedtas, Shanghong Duanas, Rossas Harndenas, Wilhelmas Johannissonas, Marcusas Johansenas, Matsas KG Johanssonas, Göranas Lindberghas, Fang Liu, Kevinas Peuvotas , Lynn M. Schneider, Johanna Xu ir Dan Zenkert, 2021 m. Sausio 27 d., „Advanced Energy & Sustainability Research“.
DOI: 10.1002/aesr.202000093

Daugiau apie: Struktūrinių baterijų tyrimai
Struktūrinėje baterijoje kaip neigiamas elektrodas naudojamas anglies pluoštas, o kaip teigiamas elektrodas-ličio geležies fosfatu padengta aliuminio folija. Anglies pluoštas veikia kaip ličio šeimininkas ir taip kaupia energiją. Kadangi anglies pluoštas taip pat praleidžia elektronus, taip pat išvengiama vario ir sidabro laidininkų poreikio, o svoris dar labiau sumažėja. Tiek anglies pluoštas, tiek aliuminio folija prisideda prie konstrukcinės baterijos mechaninių savybių. Abi elektrodų medžiagos yra atskirtos stiklo pluošto audiniu struktūrinėje elektrolito matricoje. Elektrolito užduotis yra pernešti ličio jonus tarp dviejų akumuliatoriaus elektrodų, taip pat perkelti mechanines apkrovas tarp anglies pluošto ir kitų dalių.

Projektas vykdomas bendradarbiaujant Chalmerso technologijos universitetui ir KTH Karališkajam technologijos institutui, dviem didžiausiems Švedijos technikos universitetams. Akumuliatoriaus elektrolitas buvo sukurtas KTH. Projekte dalyvauja tyrėjai iš penkių skirtingų disciplinų: medžiagų mechanikos, medžiagų inžinerijos, lengvų konstrukcijų, taikomosios elektrochemijos ir pluošto bei polimero technologijų. Finansavimas buvo gautas iš Europos Komisijos mokslinių tyrimų programos „Švarus dangus II“ ir JAV oro pajėgų.