Большой прорыв в области «безмассового» хранения энергии

«Структурированная батарея имеет фантастический потенциал. Если посмотреть с потребительской точки зрения, то через несколько лет вполне возможно будут производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем существующие модели и быть намного компактнее»

Исследователи из Чалмерского Университета Технологий (Chalmers University of Technology) разработали структурированную батарею, которая состоит из многофункциональных компонентов, где армированные углеродные волокна действуют как отрицательный электрод и токоприемник. Структурированный электролит передает нагрузку и переносит ионы. Отрицательный и положительный электрод из литий-железо-фосфатного сплава на алюминиевой фольге разделены стекловолоконной тканью. С помощью этого структурированного материала можно создавать облегченные электромобили, самолеты и товары народного потребления. Научный прорыв открывает путь к «безмассовому» хранению энергии.

Аккумуляторы современных электромобилей имеют большой вес и при этом не выполняют никакой другой функции, кроме электропитания. Например, аккумулятор электромобиля Tesla S (85 кВт-ч) весит ≈25% от его общей массы. Напротив, структурированная батарея является и источником энергии, и частью несущей конструкции автомобиля, например, его кузова. Эта технология называется «безмассовым» накоплением энергии, потому что вес аккумулятора в данном случае можно не учитывать. Расчеты показывают, что ее применение может значительно снизить вес электромобиля.

Разработка структурированных батарей продолжалась в университете много лет. Помимо жесткости и прочности, они должны накапливать электрическую энергию химическим способом. Эта работа была названа изданием Physics World одним из десяти крупнейших научных достижений 2018 года.

Первая попытка создать ламинированный структурный композитный аккумулятор была предпринята Армейской исследовательской лабораторией США (ARL) в 2007 году. Однако производить батареи с хорошими электрическими и механическими свойствами оказалось непростой задачей.

Теперь исследователи представили структурированную батарею со свойствами, которые намного превосходят все ранние их достижения, с точки зрения хранения электроэнергии, жесткости и прочности материала. Многофункциональные характеристики устройства оказались в десять раз выше, чем у предыдущих прототипов структурированных батарей.

Плотность энергии батареи составила 24 Вт-ч/кг, что примерно равно 20-процентам емкости литий-ионных аналогов. Однако, если вес транспортных средств становится значительно меньше, то для передвижения электромобиля потребуется меньше энергии. Кроме этого, меньшая плотность энергии приводит к повышению безопасности транспортного средства. А с жесткостью 25 ГПа структурированная батарея начинает конкурировать со многими распространенными строительными материалами.

«Предыдущие попытки создать структурированные батареи приводили к получению элементов либо с хорошими механическими, либо электрическими свойствами. Используя углеродное волокно, удалось добиться хорошего сочетания этих двух параметров».

Сверхлегкие электрические велосипеды и бытовая электроника

Батарея имеет отрицательный электрод из углеродного волокна и положительный электрод из алюминиевой фольги, покрытой литий-железо-фосфатным сплавом. Электроды разделены стеклотканью и помещены в электролитную матрицу. Однако исследователи не делали ставку именно на материалы, чтобы побить рекорды, - они хотели изучить влияние структуры материала и толщины разделителя на свойства батареи.

В дальнейшем алюминиевая фольга также будет заменена углеродным волокном, выполняющего роль основы, придавая материалу повышенную жесткость при высокой плотности энергии. Стекловолоконный разделитель заменят ультратонкой прослойкой, которая усилит эффект и ускорит цикл зарядки. Ожидается, что проект завершится в течение двух лет.

Глава проекта Leif Asp дает оценку, что такая батарея может достичь плотности энергии 75 Вт-ч/кг и жесткости 75 ГПа. Это сделало бы её прочной, как алюминий, при сравнительно меньшем весе.

«Структурированная батарея следующего поколения имеет фантастический потенциал. Если посмотреть с потребительской точки зрения, то через несколько лет вполне возможно будут производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем существующие модели и быть намного компактнее». А в более долгосрочной перспективе технология будет использоваться при производстве электромобилей, электрических самолетов и космических спутников.

Свежая статья, посвященная работе ученых, опубликована в научном журнале Advanced Energy & Sustainability Research [1].

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1002/aesr.202000093

Источник: Chalmers University of Technology