Μεγάλη ανακάλυψη για «μαζική» αποθήκευση ενέργειας

Ερευνητές από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers παρήγαγαν μια δομική μπαταρία που αποδίδει δέκα φορές καλύτερα από όλες τις προηγούμενες εκδόσεις. Περιέχει ανθρακονήματα που χρησιμεύουν ταυτόχρονα ως ηλεκτρόδιο, αγωγός και φέρον υλικό. Η τελευταία τους καινοτομία στην έρευνα ανοίγει το δρόμο για ουσιαστικά «μαζική» αποθήκευση ενέργειας σε οχήματα και άλλες τεχνολογίες.

Οι μπαταρίες στα σημερινά ηλεκτρικά αυτοκίνητα αποτελούν μεγάλο μέρος του βάρους των οχημάτων, χωρίς να εκπληρώνουν καμία φέρουσα λειτουργία. Μια δομική μπαταρία, από την άλλη πλευρά, είναι μία που λειτουργεί τόσο ως πηγή ισχύος όσο και ως μέρος της δομής – για παράδειγμα, σε ένα αμάξωμα αυτοκινήτου. Αυτό ονομάζεται «μαζική» αποθήκευση ενέργειας, διότι στην ουσία το βάρος της μπαταρίας εξαφανίζεται όταν γίνεται μέρος της φέρουσας δομής. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτός ο τύπος μπαταρίας πολλαπλών λειτουργιών θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το βάρος ενός ηλεκτρικού οχήματος.

Η ανάπτυξη δομικών μπαταριών στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers έχει προχωρήσει σε πολλά χρόνια έρευνας, συμπεριλαμβανομένων προηγούμενων ανακαλύψεων που αφορούσαν συγκεκριμένους τύπους ανθρακονήματος. Εκτός από το ότι είναι δύσκαμπτο και ισχυρό, έχουν επίσης καλή ικανότητα να αποθηκεύουν χημικά ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό το έργο ονομάστηκε από τη Physics World ως μία από τις δέκα μεγαλύτερες επιστημονικές ανακαλύψεις του 2018.

Η πρώτη προσπάθεια κατασκευής δομικής μπαταρίας έγινε ήδη από το 2007, αλλά μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί δύσκολη η κατασκευή μπαταριών με καλές ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες. Αλλά τώρα η ανάπτυξη έχει κάνει ένα πραγματικό βήμα προς τα εμπρός, με ερευνητές της Chalmers, σε συνεργασία με το KTH Royal Institute of Technology στη Στοκχόλμη, παρουσιάζοντας μια δομική μπαταρία με ιδιότητες που υπερβαίνουν κατά πολύ οτιδήποτε έχει δει, όσον αφορά την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, την ακαμψία και την αντοχή . Η πολυλειτουργική του απόδοση είναι δέκα φορές υψηλότερη από τα προηγούμενα δομικά πρωτότυπα μπαταριών.

Η μπαταρία έχει ενεργειακή πυκνότητα 24 Wh / kg, που σημαίνει περίπου 20 τοις εκατό χωρητικότητα σε σύγκριση με συγκρίσιμες μπαταρίες ιόντων λιθίου που διατίθενται σήμερα. Αλλά επειδή το βάρος των οχημάτων μπορεί να μειωθεί σημαντικά, θα χρειαστεί λιγότερη ενέργεια για την οδήγηση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου, για παράδειγμα, και η χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα οδηγεί επίσης σε αυξημένη ασφάλεια. Και με ακαμψία 25 GPa, η δομική μπαταρία μπορεί πραγματικά να ανταγωνιστεί με πολλά άλλα κοινά χρησιμοποιούμενα υλικά κατασκευής.

“Προηγούμενες προσπάθειες για κατασκευή δομικών μπαταριών είχαν ως αποτέλεσμα κυψέλες με καλές μηχανικές ιδιότητες ή καλές ηλεκτρικές ιδιότητες. Αλλά εδώ, χρησιμοποιώντας ανθρακονήματα, καταφέραμε να σχεδιάσουμε μια δομική μπαταρία με ανταγωνιστική ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας και ακαμψία”, εξηγεί ο Leif Asp , Καθηγητής στο Chalmers και επικεφαλής του έργου.

Τα εξαιρετικά ελαφριά ηλεκτρικά ποδήλατα και τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά είδη θα μπορούσαν σύντομα να γίνουν πραγματικότητα

Η νέα μπαταρία έχει αρνητικό ηλεκτρόδιο κατασκευασμένο από ανθρακονήματα και θετικό ηλεκτρόδιο από αλουμινόχαρτο με επικάλυψη φωσφορικού σιδήρου λιθίου. Διαχωρίζονται με ύφασμα από υαλοβάμβακα, σε μήτρα ηλεκτρολύτη. Παρά την επιτυχία τους στη δημιουργία μιας δομικής μπαταρίας δέκα φορές καλύτερη από όλες τις προηγούμενες, οι ερευνητές δεν επέλεξαν τα υλικά για να δοκιμάσουν να σπάσουν τα ρεκόρ – μάλλον, ήθελαν να διερευνήσουν και να κατανοήσουν τα αποτελέσματα της αρχιτεκτονικής του υλικού και του πάχους του διαχωριστή.

Τώρα, ένα νέο έργο, που χρηματοδοτείται από τη Σουηδική Εθνική Υπηρεσία Διαστήματος, βρίσκεται σε εξέλιξη, όπου η απόδοση της δομικής μπαταρίας θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο. Το αλουμινόχαρτο θα αντικατασταθεί από ανθρακονήματα ως ανθεκτικό υλικό στο θετικό ηλεκτρόδιο, παρέχοντας τόσο αυξημένη ακαμψία όσο και ενεργειακή πυκνότητα. Ο διαχωριστής υαλοβάμβακα θα αντικατασταθεί με μια εξαιρετικά λεπτή παραλλαγή, η οποία θα δώσει πολύ μεγαλύτερο αποτέλεσμα – καθώς και ταχύτερους κύκλους φόρτισης. Το νέο έργο αναμένεται να ολοκληρωθεί εντός δύο ετών.

Ο Leif Asp, ο οποίος ηγείται αυτού του έργου, εκτιμά ότι μια τέτοια μπαταρία θα μπορούσε να φτάσει μια ενεργειακή πυκνότητα 75 Wh / kg και μια ακαμψία 75 GPa. Αυτό θα έκανε την μπαταρία τόσο ισχυρή όσο το αλουμίνιο, αλλά με σχετικά πολύ μικρότερο βάρος.

“Η δομική μπαταρία επόμενης γενιάς έχει φανταστικές δυνατότητες. Εάν κοιτάξετε την τεχνολογία των καταναλωτών, θα ήταν πολύ πιθανό μέσα σε λίγα χρόνια να κατασκευάσετε smartphone, φορητούς υπολογιστές ή ηλεκτρικά ποδήλατα που ζυγίζουν το ήμισυ όσο σήμερα και είναι πολύ πιο συμπαγή”, λέει ο Leif.

Και μακροπρόθεσμα, είναι απολύτως πιθανό τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τα ηλεκτρικά αεροπλάνα και οι δορυφόροι να σχεδιάζονται και να τροφοδοτούνται από δομικές μπαταρίες.

«Περιοριζόμαστε πραγματικά μόνο από την φαντασία μας εδώ. Έχουμε την προσοχή πολλών διαφορετικών εταιρειών σε σχέση με τη δημοσίευση των επιστημονικών μας άρθρων στον τομέα. Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον σε αυτά τα ελαφριά, πολυλειτουργικά υλικά, “λέει ο Leif Asp.