Екип от изследователи в Швеция разработи технология, при която въглеродните влакна превръщат елементи от купето на автомобила в източник на енергия.
Обикновено батерията в едно устройство е просто мъртъв товар. Тя съхранява енергия, но не допринася за стабилността на автомобила, полета на самолета или здравината на телефона при падане. Сега екип от шведски учени създаде батерия, която изпълнява всички тези функции едновременно.
Това е възможно благодарение на така наречените структурни батерии. Те изпълняват двойна роля: съхраняват електрическа енергия като традиционна батерия и същевременно осигуряват механична здравина като носещ компонент. По този начин шасито или рамката на устройството се превръща в негов източник на енергия.
Инженери от Технологичния университет „Чалмърс“ са разработили структурна батерия, която е до десет пъти по-ефективна от предишните си аналози. Този напредък доближава учените до концепцията за съхранение на енергия „без маса“, при която батериите вече не добавят тегло, защото те самите са структурата. Вместо енергията да е скрита в тежка кутия, самата батерия се превръща в кутия.
Когато батерията се превърне в купе
Съвременните електрически автомобили носят батериите си като тежък товар. При някои модели само батерията представлява около една четвърт от общото тегло на автомобила, без да допринася по никакъв начин за здравината му. Тази допълнителна маса изисква повече енергия, повече материали и по-високи разходи.
Структурните батерии обръщат тази логика. Те интегрират съхранението на енергия директно в материали, от които вече се изисква да бъдат твърди и здрави. На практика вратата на автомобил, рамката на велосипед или дори панел на сателит биха могли да съхраняват електричество, докато изпълняват основната си конструктивна функция.
Идеята не е нова. Първият опит датира от 2007 г., когато изследователи се опитват да вградят батерии в многослойни композитни материали. Тези ранни проекти се сблъскват с труден компромис – или са механично здрави, но с нисък капацитет, или съхраняват добре енергия, но са твърде меки, за да носят товар.
Лейф Асп, професор в „Чалмърс“ и ръководител на проекта, заяви, че предишните опити за създаване на структурни батерии са водели до клетки или с добри механични, или с добри електрически свойства. Той допълни, че с използването на въглеродни влакна екипът му е успял да проектира структурна батерия, която има едновременно конкурентен капацитет за съхранение на енергия и висока твърдост.
Ключът към успеха се оказват въглеродните влакна. Те вече са високо ценени в авиокосмическата индустрия и при автомобилите от висок клас заради своята лекота и здравина. Някои видове въглеродни влакна могат също така да съхраняват литиеви йони – същите токоносители, използвани в литиево-йонните батерии. Това означава, че влакното може да действа едновременно като носеща греда и като част от електрода на батерията.
В новия дизайн въглеродните влакна изпълняват три роли едновременно: носят товар, провеждат електричество и съхраняват енергия по химичен път. Този многофункционален подход елиминира нуждата от допълнителни медни кабели и поддържащи материали, което намалява теглото още повече.
Здравина и безопасност
Структурната батерия, разработена от екипа на „Чалмърс“ и Кралския технологичен институт KTH, достига енергийна плътност от около 24 Втч/кг. Това е приблизително 20% от капацитета на конвенционална литиево-йонна батерия. Само по себе си това число може да звучи скромно.
Важен е обаче по-широкият контекст. Тази батерия има и твърдост от около 25 гигапаскала (GPa), което е сравнимо с много често използвани строителни материали. Тя наистина може да замени части от дадена конструкция, а не просто да бъде добавена към нея. Когато инженерите вземат предвид икономията на тегло в цялото превозно средство или устройство, компромисът започва да изглежда привлекателен.
В своята научна публикация от 2021 г. изследователите описват този баланс в детайли, като съобщават за енергийна плътност от 24 Втч/кг и модул на еластичност от 25 GPa – комбинация, която по думите им надминава всички досегашни структурни батерии, описани в научната литература.
По-ниската енергийна плътност носи и неочаквано предимство: безопасност. Батериите с по-ниска концентрация на съхранена енергия обикновено са по-малко склонни към прегряване и пожари.
Вътре в батерията слоеве от въглеродни влакна и алуминий с покритие от литиев железен фосфат са разделени от тънка тъкан от стъклени влакна. Всичко се поддържа от твърд структурен електролит, който пренася както механични натоварвания, така и литиеви йони.
Обновление от 2024 г. цели да замени алуминиевото фолио в положителния електрод също с въглеродни влакна. Подобна промяна може да повиши енергийната плътност до 75 Втч/кг и твърдостта до 75 GPa, което е сравнимо с алуминий, но при много по-ниско тегло. Цената на подобно решение обаче се очаква да бъде значително по-висока.
Последните разработки, изцяло базирани на въглеродни влакна, вече достигат около 30 Втч/кг, като същевременно запазват или надвишават механичната твърдост на алуминия. При някои конфигурации изследователите отчитат модул на еластичност над 70 GPa по посока на влакната, което категорично поставя тези батерии в сферата на сериозните конструктивни материали.
Бъдещето на структурните батерии
Най-новите структурни батерии вече издържат от стотици до близо хиляда цикъла на зареждане и разреждане с много малка загуба на капацитет. Това е от съществено значение, тъй като при един структурен компонент деградацията не е само електрически, а може да се превърне и в механичен проблем.
Въпреки този напредък, един показател не се е променил драстично. Структурните батерии все още значително отстъпват на конвенционалните литиево-йонни клетки, които обикновено надхвърлят 200 Втч/кг. Разликата остава голяма и никой в областта не се опитва да я омаловажи. Залогът е, че премахването на теглото на самия пакет батерии може да компенсира по-ниската енергийна плътност на клетките, вградени в конструкцията.
Професор Асп е оптимист за бъдещето на технологията. Той смята, че следващото поколение структурни батерии има фантастичен потенциал. Според него в рамките на няколко години може да стане възможно производството на смартфони, лаптопи или електрически велосипеди, които тежат наполовина по-малко и са много по-компактни.
В по-дългосрочен план визията се разпростира до електрически автомобили, самолети и сателити, проектирани изначално около структурни батерии. Това би представлявало промяна не само в технологията на батериите, но и в начина, по който инженерите мислят за енергия, материали и форма. Композитите за структурни батерии бяха определени като една от водещите нововъзникващи технологии за 2025 г. от Световния икономически форум.
Както казва Асп, единственото ограничение е въображението.
Последвайте ни в Google News
