Koolstofvezel wordt voornamelijk gebruikt om zijn lichte gewicht en wordt gewaardeerd om zijn sterkte en stijfheid. Maar wanneer Leif Asp naar het materiaal kijkt, ziet hij een mogelijkheid om het dubbel werk te laten doen op een manier die de efficiëntie van auto's en vliegtuigen drastisch zou kunnen verbeteren.
"De batterij is een structurele parasiet, " zegt de ingenieur en professor aan de Chalmers University of Technology in Zweden, wat betekent dat hij gewicht toevoegt en de efficiëntie van de saps verhoogt, zonder bij te dragen aan de fysieke kracht en structuur van de auto die hij aandrijft. Maar wat als de voertuigen op batterijen zouden zijn gebouwd?
Dat is waar Asp echt naar toe gaat met deze technologie. Hij wil auto's, vliegtuigen, boten, zelfs smartwatches en andere consumentenelektronica zien, gemaakt van een materiaal dat zowel als het lichaam als de energiebron fungeert - iets dat bekend staat als een 'structurele batterij'. Een auto met structurele batterijen kan tot 50 wegen procent minder dan een typische EV met zware lithium-ionbatterijen eronder, zegt Asp.
Het is geen nieuws dat koolstofvezel elektrochemische eigenschappen heeft. Net als grafiet is het materiaal in bepaalde configuraties in staat tot geleidbaarheid. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben een Amerikaans patent aangevraagd op een batterij gemaakt van koolstofvezel, maar het daadwerkelijk op de markt brengen is lastig gebleken voor het kleine aantal mensen dat het idee bestudeert. Nieuw onderzoek van het team van Asp heeft een bepaald aspect van het materiaal geïdentificeerd dat het potentiële gebruik ervan als structurele batterijen een stuk realistischer maakt.
Leif Asp met een spoel van koolstofvezelgaren (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Alle koolstof is echter niet hetzelfde en verschillende soorten koolstof hebben verschillende eigenschappen waardoor ze toepasbaar zijn voor verschillende toepassingen. Het doel van Asp is om te begrijpen wat zich hoe en waarom gedraagt en dat toe te passen op structurele toepassingen.
"De koolstofvezels die op de markt beschikbaar zijn, zijn gemaakt voor structurele toepassingen of gemaakt voor elektrische toepassingen, " zegt hij. Structurele toepassingen zijn waar we het meest bekend mee zijn, van de koolstof waaruit fietsen bestaan en andere sterke, lichtgewicht producten, maar elektrische componenten zijn soms ook gemaakt van het materiaal, zij het een ander type. Hij gelooft dat er koolstof is dat beide kan.
In hun laatste onderzoek vergeleken Asp en zijn medewerkers drie composieten en onderzochten ze deze met elektronenmicroscopie en laserspectroscopie. Ze bouwden de vezel in batterijen, keken naar de grootte en oriëntatie van de kristallen van koolstofatomen die aan elkaar waren gebonden, en vergeleken de stijfheid, sterkte en elektrochemische eigenschappen van de verschillende materialen. Kleinere kristallen, met een meer gedesoriënteerde structuur, hebben de neiging om elektrochemisch reactiever te zijn - dat wil zeggen dat ze beter in staat zijn elektronen op te nemen, op te slaan en vrij te geven, en dus als batterijen werken. Deze soorten koolstof zijn echter minder stijf dan die met kristallen die langer en opgesteld zijn. (Hoe dan ook, ze zijn erg klein; Asp vergeleek vezels met kristallen van 18 tot 28 Angstrom met kristallen van 100 tot 300 Angstrom, en een Angstrom is één tien miljardste van een meter.)
De visie van de onderzoekers is van voertuigen waarbij een groot deel van de carrosserie of vliegtuigromp bestaat uit structurele lithium-ionbatterijen. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) Het gebruik van een koolstofvezel die wat stijfheid opoffert om een betere geleidbaarheid te bereiken, is misschien geen probleem, omdat het materiaal nog steeds stijver was dan staal en in staat was een structurele belasting te dragen. Het zal ook een lading niet zo efficiënt vasthouden als traditionele batterijen, maar dan, als het grootste deel van de auto uit spul bestaat, hoeft dat niet omdat de algehele efficiëntie nog steeds aanzienlijk zal worden verhoogd. Industriepartners zoals Airbus, die sinds 2015 met Asp werkt, noemen dit "massaloze energieopslag".
Toch is het technologie die nog lang niet praktisch is - mogelijk tientallen jaren, zegt Adrian Mouritz, uitvoerend decaan van de technische school aan de RMIT University in Melbourne. Mouritz werkt ook aan structurele energieopslag met behulp van koolstofvezel, maar zijn werk omvat lithium-ionbatterijen in sandwiches van koolstof, waardoor een deel van de structurele belasting wordt gedragen en het eigen gewicht van batterijen wordt verminderd, hoewel niet zo uitgebreid als de versie van Asp.
“De aanpak die we volgen, het composietmateriaal is al bewezen, de batterij zelf is al bewezen. Het enige dat we proberen te bewijzen, is de integratie van de batterij in de composiet, wat een veel kleinere stap is om te zetten, ”zegt Mouritz. “Leif's zijn ... technisch complexer, maar de voordelen op langere termijn worden groter. Het vereist nog steeds veel meer onderzoek en ontwikkeling om de materialen en het ontwerp van het eigenlijke systeem te optimaliseren. ”
Asp en zijn lab werken eraan om het al levensvatbaar te maken. Vroeg onderzoek (2014 en eerder) gemodificeerde koolstofvezels, introduceerde een omhulsel van gelamineerde polymere elektrolyten die de vezel helpen ionen efficiënter op te slaan en vrij te geven, net zoals een lithium-ionbatterij een tussenliggende elektrolyt gebruikt.
"Om dit te laten vliegen zou natuurlijk heel lang duren", zegt Asp. Hij werkt samen met Airbus om een demo te produceren, die volgend jaar op de markt komt en die binnenverlichting en kabels vervangt door structurele koolstofvezel. Hoewel de grotere gewichtsbesparing kan liggen in het elimineren van de behoefte aan brandstof, waarvan Mouritz zegt dat dit een derde of meer van het operationele budget van een luchtvaartmaatschappij uitmaakt, zal de Airbus-demo een illustratie zijn dat de technologie levensvatbaar is.
Mouritz ziet de technologie eerst worden toegepast op luxe auto's en Formule 1-raceauto's, en brede acceptatie in de consumentenmarkt zodra de prijs daalt en de betrouwbaarheid wordt bevestigd. "Als u uw vliegtuig lichter kunt maken, als u uw auto lichter kunt maken, liggen de werkelijke netto kostenbesparingen hiervan in de honderden miljoenen, zo niet in de miljarden dollars, " zegt hij.
"Het andere, natuurlijk, " voegt Mourtiz eraan toe, "is dat als ik mijn brandstofverbranding verminder, ik eigenlijk mijn broeikasgasemissies verminder."
