21 mrt. 2021
3 minuten
Onderzoekers van Chalmers University of Technology hebben een structurele batterij geproduceerd die tien keer beter presteert dan voorgaande versies. Koolstofvezel dient tegelijk als elektrode, geleider en dragend materiaal. “Dit maakt de weg vrij voor ‘massaloze energieopslag’ in voertuigen en andere technologie.”
Een structurele batterij is zowel krachtbron als onderdeel van de constructie, bijvoorbeeld in een autocarrosserie. Dit leidt tot ‘massaloze energieopslag’, omdat de batterij geen extra gewicht toevoegt. Chalmers onderzoekt ze al vele jaren, en deed ontdekkingen met betrekking tot bepaalde soorten koolstofvezel die stijf en sterk zijn, en ook een goed vermogen hebben om elektrische energie chemisch op te slaan. Dit werk werd door Physics World genoemd als een van de tien grootste wetenschappelijke doorbraken van 2018.
De eerste poging om een structurele batterij te maken werd al in 2007 gedaan, maar het is tot dusverre moeilijk gebleken om batterijen te vervaardigen met zowel goede elektrische als mechanische eigenschappen. Maar nu heeft de ontwikkeling een echte stap voorwaarts gemaakt, in samenwerking met KTH Royal Institute of Technology in Stockholm.
De nieuwe batterij heeft een energiedichtheid van 24 Wh / kg, wat neerkomt op ongeveer 20 procent capaciteit in vergelijking met vergelijkbare lithium-ionbatterijen die momenteel beschikbaar zijn. Maar doordat het gewicht van voertuigen sterk kan worden verminderd, is er minder energie nodig om een elektrische auto aan te drijven. En met een stijfheid van 25 GPa kan de structurele batterij echt concurreren met veel andere veelgebruikte constructiematerialen.
"Eerdere pogingen om structurele batterijen te maken, hebben geresulteerd in cellen met ofwel goede mechanische eigenschappen, ofwel goede elektrische eigenschappen. Maar hier zijn we er met koolstofvezel in geslaagd een structurele batterij te ontwerpen met zowel concurrerende energieopslagcapaciteit als stijfheid ", zegt projectleider Leif Asp.
Superlichte elektrische fietsen en consumentenelektronica
Superlichte elektrische fietsen en consumentenelektronica kunnen binnenkort een realiteit zijn
De nieuwe batterij heeft een negatieve elektrode van koolstofvezel en een positieve elektrode van aluminiumfolie met een laag lithiumijzerfosfaat. Ze worden gescheiden door een glasvezeldoek in een elektrolytmatrix. Ondanks hun succes bij het maken van een structurele batterij die tien keer beter is dan alle voorgaande, hebben de onderzoekers niet de materialen gekozen om records te breken, maar wilden ze de effecten van materiaalarchitectuur en separator-dikte onderzoeken en begrijpen.
Nu is er een nieuw project aan de gang, gefinancierd door de Zweedse Nationale Ruimtevaartorganisatie, waarbij de prestaties van de structurele batterij nog verder zullen worden verbeterd. De aluminiumfolie wordt vervangen door koolstofvezel als dragend materiaal in de positieve elektrode, wat zorgt voor zowel verhoogde stijfheid als energiedichtheid. De glasvezelafscheider zal worden vervangen door een ultradunne variant, wat een veel groter effect zal geven – evenals snellere oplaadcycli. Het nieuwe project zal naar verwachting binnen twee jaar worden afgerond.
Asp, die ook dit project leidt, schat dat een dergelijke batterij een energiedichtheid van 75 Wh / kg en een stijfheid van 75 GPa zou kunnen bereiken. Dit zou de batterij ongeveer zo sterk maken als aluminium, maar met een relatief veel lager gewicht.
"De structurele batterij van de volgende generatie heeft een fantastisch potentieel. Als je naar consumententechnologie kijkt, zou het binnen een paar jaar heel goed mogelijk kunnen zijn om smartphones, laptops of elektrische fietsen te maken die half zo zwaar wegen als nu en veel compacter zijn.”
En op de langere termijn is het absoluut denkbaar dat elektrische auto’s, elektrische vliegtuigen en satellieten worden ontworpen met en aangedreven door structurele batterijen. "We worden hier eigenlijk alleen beperkt door onze verbeeldingskracht. We hebben veel aandacht gekregen van veel verschillende soorten bedrijven in verband met de publicatie van onze wetenschappelijke artikelen in het veld. Er is begrijpelijkerwijs veel belangstelling voor deze lichtgewicht, multifunctionele materialen."
Anderen lazen ook
