Ogljikova vlakna se uporabljajo predvsem zaradi majhne teže in cenjena zaradi svoje trdnosti in togosti. Ko pa Leif Asp pogleda material, vidi priložnost, da ga naredi dvojno, tako da lahko drastično izboljša učinkovitost avtomobilov in letal.
"Akumulator je strukturni parazit, " pravi inženir in profesor na Chalmers University of Technology na Švedskem, kar pomeni, da doda težo in poveča učinkovitost, ne da bi pri tem prispeval k fizični moči in strukturi avtomobila, ki ga napaja. Kaj pa, če bodo vozila zgrajena iz akumulatorjev?
Tam Asp resnično gre s to tehnologijo. Želel si je videti avtomobile, letala, čolne, celo pametne ure in drugo potrošniško elektroniko iz materiala, ki deluje kot telo in vir energije - nekaj znanega kot "strukturna baterija". Avtomobil, ki vsebuje strukturne baterije, bi lahko tehtal do 50 odstotek manj od običajnega EV-ja, ki ima pod njim težke litijeve ionske baterije, pravi Asp.
Ni novica, da imajo ogljikova vlakna elektrokemične lastnosti. Tako kot grafit je tudi material v določenih konfiguracijah sposoben prevodnosti. Raziskovalci s tehnološke univerze Chalmers so zaprosili za patent ZDA na baterijo iz ogljikovih vlaken, vendar je dejansko prinašanje enega na trg izkazalo zapleteno za majhno število ljudi, ki preučujejo idejo. Nova raziskava Aspove ekipe je identificirala poseben vidik materiala, zaradi katerega je njegova potencialna uporaba kot strukturnih baterij veliko bolj realistična.
Leif Asp s kuljo preje iz ogljikovih vlaken (Johan Bodell, Tehnološka univerza Chalmers) Vse ogljik pa ni ustvarjen enako, različne vrste ogljika pa imajo različne lastnosti, zaradi katerih so uporabne za različne namene uporabe. Aspov cilj je razumeti, kako se obnaša in zakaj, in to uporabiti na strukturnih aplikacijah.
"Ogljikova vlakna, ki so na voljo na trgu, so bila izdelana za strukturne namene ali za električne namene, " pravi. Strukturne aplikacije so tisto, kar najbolj poznamo, iz ogljika, ki sestavlja kolesa in drugih močnih, lahkih izdelkov, vendar so električne sestavine včasih tudi iz materiala, čeprav drugačne vrste. Verjame, da je ogljik lahko oboje.
Asp in njegovi sodelavci so v zadnjih raziskavah primerjali tri kompozite in jih pregledali z elektronsko mikroskopijo in lasersko spektroskopijo. Vlakno so vgradili v baterije, si ogledali velikost in orientacijo kristalov ogljikovih atomov, ki so v njih povezani, in primerjali togost, trdnost in elektrokemične lastnosti različnih materialov. Manjši kristali z bolj dezorientirano strukturo so ponavadi bolj elektrokemično reaktivni - torej so bolj sposobni zavzemati, skladiščiti in sproščati elektrone in tako delujejo kot baterije. Vendar so te vrste ogljika manj trdne od tistih s kristali, ki so daljši in obloženi. (Kakor koli že, zelo majhni so. Asp je primerjal vlakna s kristali od 18 do 28 angstromov s kristali od 100 do 300 angstromov, angstrom pa deset deset milijard metra.)
Vizija raziskovalcev je vozil, pri katerih je velik del trupa avtomobila ali trupa letala sestavljen iz strukturnih litij-ionskih baterij. (Yen Strandqvist, Tehnološka univerza Chalmers) Uporaba ogljikovih vlaken, ki žrtvujejo nekaj togosti za doseganje boljše prevodnosti, morda ni težava, saj je bil material še vedno bolj trden od jekla in je sposoben nositi strukturno obremenitev. Prav tako ne bo napolnil tako učinkovito kot običajne baterije, vendar potem, če je večina avtomobila sestavljena iz stvari, tega ne bo treba, ker se bo splošna učinkovitost še vedno močno povečala. Industrijski partnerji, kot je Airbus, ki z Aspom sodeluje od leta 2015, to označujejo kot "manj množično shranjevanje energije".
Kljub temu je to tehnologija, ki je daleč od praktične - potencialno desetletja, pravi Adrian Mouritz, izvršni dekan inženirske šole na univerzi RMIT v Melbournu. Mouritz se ukvarja tudi s strukturnim skladiščenjem energije z uporabo ogljikovih vlaken, vendar njegovo delo vgrajuje litijeve ionske baterije v ogljikove sendviče, kar pomaga prenašati del strukturne obremenitve in zmanjšati mrtvo težo baterij, čeprav ne tako obsežno kot Aspova različica.
"Pristop, ki ga uporabljamo, kompozitni material je že dokazan, baterija že dokazana. Vse, kar poskušamo dokazati, je integracija baterije v kompozit, kar je veliko manjši korak, "pravi Mouritz. "Leif je ... tehnično bolj zapleten, vendar bodo njegove koristi na dolgi rok močnejše. Še vedno pa je potrebno še veliko več raziskav in razvoja za optimizacijo materialov in zasnove dejanskega sistema. "
Asp in njegov laboratorij si prizadevata, da bi bil že izvedljiv. Zgodnje raziskave (2014 in prej) so spremenile ogljikova vlakna in uvedle plašč iz laminiranih polimernih elektrolitov, ki pomaga vlakninam učinkoviteje shranjevati in sproščati ione, na enak način kot litij-ionska baterija uporablja interventni elektrolit.
"Seveda bi bilo to letenje že zdavnaj, " pravi Asp. Z Airbusom sodeluje pri izdelavi predstavitvenega dela za prihodnje leto, ki nadomešča notranje luči in kable s strukturnimi ogljikovimi vlakni. Čeprav bi večji prihranki teže lahko bili pri odpravi potrebe po gorivu, za katero Mouritz pravi, da predstavlja tretjino ali več operativnega proračuna letalske družbe, bo Airbusov demonstracijski prikaz ilustracija, da je tehnologija sposobna preživeti.
Mouritz vidi, da se tehnologija uporablja pri luksuznih avtomobilih in dirkalnikih formule 1, široko uveljavitev pa na potrošniškem trgu, ko se cena zniža in zanesljivost potrdi. "Če lahko olajšate svoje letalo, če lahko olajšate svoj avtomobil, so dejanski čisti prihranki pri teh stotih milijonih, če ne v milijardah dolarjev, " pravi.
"Druga stvar, seveda, " dodaja Mourtiz, "je, če zmanjšam kurjenje goriva, dejansko zmanjšam emisije toplogrednih plinov."
