Углеродное волокно в основном используется для его легкого веса, и ценится за его прочность и жесткость Но когда Лейф Асп смотрит на материал, он видит возможность заставить его выполнять двойную работу таким образом, что может кардинально повысить эффективность автомобилей и самолетов.
«Батарея является структурным паразитом», - говорит инженер и профессор Технологического университета Чалмерса в Швеции, подразумевая, что он добавляет вес и снижает эффективность, не влияя на физическую прочность и конструкцию автомобиля, которым он питается. Но что, если транспортные средства были построены из батарей?
Вот где Asp действительно использует эту технологию. Он хочет видеть автомобили, самолеты, лодки, даже умные часы и другую бытовую электронику, изготовленную из материала, который действует как тело и источник энергии - что-то, известное как «структурная батарея». Автомобиль, включающий структурные батареи, может весить до 50 единиц. Процент меньше, чем у обычного электромобиля, в котором под ним находятся тяжелые литий-ионные батареи, говорит Асп.
Не новость, что углеродное волокно обладает электрохимическими свойствами. Как и графит, материал в определенных конфигурациях способен к электропроводности. Исследователи из Технологического университета Чалмерса подали заявку на патент США на батарею, изготовленную из углеродного волокна, но на самом деле вывести ее на рынок оказалось непросто для небольшого числа людей, изучающих эту идею. Новое исследование команды Asp выявило особый аспект материала, который делает его потенциальное использование в качестве структурных батарей намного более реалистичным.
Лейф Асп с бобиной из пряжи из углеродного волокна (Йохан Боделл, Технологический университет Чалмерса) Однако весь углерод не является одинаковым, и разные виды углерода имеют разные свойства, которые делают их применимыми для разных целей. Цель Asp - понять, что, как и почему ведет себя, и применить это к структурным приложениям.
«Углеродные волокна, доступные на рынке, предназначены для структурных применений или для электрических применений», - говорит он. Структурные применения - это то, с чем мы больше всего знакомы, из углерода, из которого состоят велосипеды и другие прочные, легкие продукты, но электрические компоненты иногда тоже сделаны из материала, хотя и другого типа. Он считает, что есть углерод, который может сделать оба.
В своем последнем исследовании Асп и его сотрудники сравнили три композитных материала и исследовали их с помощью электронной микроскопии и лазерной спектроскопии. Они встроили волокно в батареи, посмотрели на размер и ориентацию кристаллов атомов углерода, связанных между собой в них, и сравнили жесткость, прочность и электрохимические свойства различных материалов. Более мелкие кристаллы с более дезориентированной структурой имеют тенденцию быть более электрохимически реактивными, то есть они более способны поглощать, хранить и высвобождать электроны и, таким образом, действовать как батареи. Однако эти виды углерода менее жесткие, чем те, которые имеют более длинные и выровненные кристаллы. (В любом случае, они очень малы; Asp сравнивает волокно с кристаллами от 18 до 28 ангстрем с кристаллами от 100 до 300 ангстрем, а ангстрем составляет одну десятую миллиардную часть метра.)
Исследователи видят транспортные средства, в которых большая часть кузова или фюзеляжа самолета состоит из конструкционных литий-ионных аккумуляторов. (Йен Страндквист, Чалмерский технологический университет) Использование углеродного волокна, которое жертвует некоторой жесткостью для достижения лучшей проводимости, может не быть проблемой, потому что материал все еще был более жестким, чем сталь, и способен выдерживать структурную нагрузку. Он также не будет удерживать заряд так же эффективно, как традиционные аккумуляторы, но тогда, если большая часть автомобиля будет состоять из материала, это не понадобится, потому что общая эффективность все равно будет значительно увеличена. Отраслевые партнеры, такие как Airbus, который работает с Asp с 2015 года, называют это «безмассовым накоплением энергии».
Тем не менее, это технология, которая далека от практической - потенциально десятилетия, говорит Адриан Моуриц, исполнительный декан факультета инженерии в Университете RMIT в Мельбурне. Мориц также работает над накоплением энергии конструкции с использованием углеродного волокна, но его работа включает в себя литий-ионные батареи в бутербродах с углеродом, помогая нести некоторую структурную нагрузку и снижая собственный вес батарей, хотя и не так широко, как версия Asp.
«Подход, который мы используем, композитный материал уже проверен, сама батарея уже проверена. Все, что мы пытаемся доказать, это интеграция батареи в композит, что является гораздо меньшим шагом, который нужно сделать », - говорит Моуриц. «Leif's ... технически сложнее, но его преимущества в долгосрочной перспективе будут сильнее. Для оптимизации материалов и дизайна самой системы все еще требуется гораздо больше исследований и разработок ».
Асп и его лаборатория уже работают над тем, чтобы сделать его жизнеспособным. В ранних исследованиях (2014 г. и ранее) модифицированные углеродные волокна вводили оболочку из слоистых полимерных электролитов, которая помогает волокну накапливать и высвобождать ионы более эффективно, так же как в литий-ионной батарее используется промежуточный электролит.
«Для этого, конечно, было бы долго летать», - говорит Асп. Он работает с Airbus над выпуском демоверсии, которая будет выпущена в следующем году, которая заменит внутреннее освещение и кабели структурным углеродным волокном. Хотя большая экономия веса может быть связана с устранением потребности в топливе, которое, по словам Моуритца, составляет одну треть или более операционного бюджета авиакомпании, демонстрация Airbus станет иллюстрацией жизнеспособности этой технологии.
Мориц видит, что технология применяется в первую очередь к роскошным автомобилям и гоночным автомобилям Формулы 1, и широкое распространение на потребительском рынке, когда цена снижается и надежность подтверждается. «Если вы можете облегчить свой самолет, если вы можете облегчить свой автомобиль, фактическая чистая экономия от этого исчисляется сотнями миллионов, если не миллиардами долларов», - говорит он.
«Другое дело, конечно, - добавляет Муртиз, - что если я уменьшу свой расход топлива, то фактически уменьшу выбросы парниковых газов».
