70 procent hoger rijbereik met één keer laden?

Of een laptop die de helft lichter is een mobieltje zo dun als een creditkaart? Het moet allemaal werkelijkheid worden met de hulp van zogenaamde massaloze energieopslag. Hierbij is de batterij bijvoorbeeld deel van het chassis van een auto, de behuizing van je laptop of die van je mobieltje. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden hebben een materiaal ontwikkeld dat dit mogelijk moet helpen maken.

Wanneer auto’s, vliegtuigen, schepen of computers worden gebouwd van een materiaal dat zowel als batterij en als deel van de dragende constructie functioneert, verlaag je niet alleen de massa maar ook het energieverbruik radicaal. De onderzoekers komen nu met wat zij een wereldprimeur op het gebied van massaloze energieopslag noemen: een structurele batterij.

“We zijn erin geslaagd om een batterij te maken van koolstofvezelcomposiet die zo stijf is als aluminium en zo energiedicht dat hij commercieel kan worden gebruikt. Net als een menselijk skelet heeft de batterij verschillende functies tegelijk,” zegt Chalmers-onderzoeker Richa Chaudhary, hoofdauteur is van ‘Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery’ dat onlangs is gepubliceerd in Advanced Materials.

Lagere capaciteit..

Het onderzoek naar structurele batterijen is al vele jaren gaande bij Chalmers, deels samen met het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, Zweden. Professor Leif Asp publiceerde met collega’s in 2018 de resultaten over de chemische opslag van elektrische energie in koolstofvezels. Sindsdien heeft de onderzoeksgroep zijn concept verder ontwikkeld om zowel de stijfheid als de energiedichtheid te verhogen.

De vorige mijlpaal werd bereikt in 2021 toen de batterij een energiedichtheid had van 24 Wh/kg, ongeveer 20 procent capaciteit van een vergelijkbare lithium-ion batterij. Nu is dat 30 Wh/kg. Dat is nog steeds lager is dan de huidige batterijen. Maar maakt de batterij deel uit van de constructie en is ook nog eens licht, dan verlaagt dit het totale gewicht van het voertuig. Je hebt dan veel minder energie nodig om bijvoorbeeld een elektrische auto te laten rijden.

.. maar lichter en stijver

“Investeren in lichte en energiezuinige voertuigen is vanzelfsprekend als we energie willen besparen en aan toekomstige generaties willen denken. We hebben berekeningen gemaakt voor elektrische auto’s die laten zien dat ze tot 70 procent langer zouden kunnen rijden dan vandaag de dag als ze concurrerende structurele batterijen zouden hebben,” zegt onderzoeksleider Asp. Kijk je naar de veiligheid in een dergelijk toepassing heeft de structurele batterijcel nog een pre. De stijfheid, of specifieker, de elasticiteitsmodulus, die wordt gemeten in gigapascal (GPa), van het materiaal is verhoogd van 25 naar 70. Dit dat het materiaal net zo goed belastingen kan dragen als aluminium, maar met een lager gewicht.

Commercialisering

Vanaf het begin was het doel de technologie te commercialiseren. Parallel aan het feit dat het onderzoek nu wordt voortgezet, is de link naar de markt versterkt – via het pas opgerichte Chalmers Venture bedrijf Sinonus AB. Maar er is nog veel engineeringwerk te doen voordat de batterijcellen de stap hebben gezet van laboratoriumproductie op kleine schaal naar productie op grote schaal voor technologische gadgets of voertuigen.

“Je kunt je voorstellen dat creditcarddunne mobiele telefoons of laptops die half zoveel wegen als nu, over een tijdje het dichtst in de buurt komen. Het zou ook kunnen dat onderdelen zoals elektronica in auto’s of vliegtuigen worden aangedreven door structurele batterijen. Er zullen grote investeringen nodig zijn om te voldoen aan de uitdagende energiebehoeften van de transportindustrie, maar dit is ook waar de technologie het meeste verschil zou kunnen maken,” zegt Asp, die veel interesse heeft gemerkt vanuit de auto- en luchtvaartindustrie.