اخبار صنعت

پیشرفت بزرگ برای ذخیره انرژی بدون جرم: باتری ساختاری که 10 برابر بهتر از همه نسخه های قبلی عمل می کند

2021-06-18
موضوعات: فناوری باتری ، دانشگاه فناوری چالمرز ، انرژی ، علوم مواد ، محبوب
توسط دانشگاه فن آوری CHALMERS 24 مارس 2021



کامپوزیت های ساختاری باتری نمی توانند به اندازه باتری های یون لیتیوم انرژی ذخیره کنند ، اما دارای ویژگی های متعددی هستند که آنها را برای استفاده در وسایل نقلیه و سایر کاربردها بسیار جذاب می کند. هنگامی که باتری بخشی از ساختار تحمل بار می شود ، جرم باتری اساساً "از بین می رود". اعتبار: ین Strandqvist/دانشگاه صنعتی چالمرز.

محققان دانشگاه صنعتی چالمرز باتری ساختاری تولید کرده اند که ده برابر بهتر از تمام نسخه های قبلی عمل می کند. حاوی فیبر کربن است که به طور همزمان به عنوان الکترود ، رسانا و مواد تحمل کننده عمل می کند. آخرین پیشرفت تحقیقاتی آنها راه را برای ذخیره سازی انرژی بدون جرم در وسایل نقلیه و سایر فناوری ها هموار می کند.

باتری های موجود در خودروهای برقی امروزه بخش بزرگی از وزن خودروها را تشکیل می دهند ، بدون اینکه وظیفه تحمل بار را برآورده کنند. از طرف دیگر ، یک باتری سازه ای است که هم به عنوان منبع تغذیه و هم به عنوان بخشی از ساختار - به عنوان مثال ، در بدنه خودرو کار می کند. این ذخیره سازی بدون جرم نامیده می شود ، زیرا در اصل وزن باتری هنگامی که بخشی از ساختار باربر می شود ، از بین می رود. محاسبات نشان می دهد که این نوع باتری چند منظوره می تواند وزن یک وسیله نقلیه برقی را تا حد زیادی کاهش دهد.

توسعه باتری های ساختاری در دانشگاه صنعتی چالمرز طی سالها تحقیق انجام شده است ، از جمله اکتشافات قبلی مربوط به انواع خاصی از فیبر کربن. آنها علاوه بر سفت و قوی بودن ، توانایی خوبی در ذخیره شیمیایی انرژی الکتریکی نیز دارند. این اثر توسط Physics World به عنوان یکی از ده بزرگترین پیشرفت علمی 2018 نامگذاری شد.

اولین تلاش برای ساخت یک باتری ساختاری در سال 2007 انجام شد ، اما تاکنون ساخت باتری هایی با خواص الکتریکی و مکانیکی خوب دشوار بوده است.



دکتر یوهانا خو با سلول باتری ساختاری تازه ساخته شده در آزمایشگاه کامپوزیت چالمرز ، که او را به Leif Asp نشان می دهد. این سلول شامل یک الکترود فیبر کربن و یک الکترود لیتیوم آهن فسفات است که توسط پارچه ای از جنس فایبرگلاس جدا شده و همه آنها با یک الکترولیت ساختاری باتری آغشته شده تا عملکرد مکانیکی و الکتریکی ترکیب شده باشد. سه باتری سازه ای به صورت سری به هم متصل شده و به عنوان بخشی از یک ورقه کامپوزیت بزرگتر لمینت شده اند. هر سلول باتری ساختاری دارای ولتاژ اسمی 2.8 ولت است. ورقه ورقه دارای ولتاژ کل 8.4 ولت و سفتی در سطح کمی بیش از 28 GPa است. اعتبار: مارکوس فولینو ، دانشگاه فناوری چالمرز.

اما در حال حاضر توسعه یک گام واقعی به جلو برداشته است و محققان چلمرز با همکاری موسسه فناوری KTH در استکهلم یک باتری سازه ای با ویژگی هایی که از نظر ذخیره انرژی الکتریکی ، سفتی و استحکام بسیار بیشتر از هر چیزی که هنوز دیده شده است ، ارائه کردند. به عملکرد چند منظوره آن ده برابر بیشتر از نمونه های اولیه باتری ساختاری قبلی است.

چگالی انرژی باتری 24 وات بر کیلوگرم است ، یعنی تقریباً 20 درصد ظرفیت در مقایسه با باتری های لیتیوم یون قابل مقایسه در حال حاضر. اما از آنجایی که می توان وزن وسایل نقلیه را تا حد زیادی کاهش داد ، به عنوان مثال برای رانندگی با خودروهای برقی به انرژی کمتری نیاز است و چگالی انرژی کمتر نیز باعث افزایش ایمنی می شود. و با سختی 25 GPa ، باتری ساختاری واقعاً می تواند با بسیاری دیگر از مصالح ساختمانی معمول مورد استفاده رقابت کند.

attempts € attempts تلاش های قبلی برای ساخت باتری های ساختاری منجر به سلول هایی با خواص مکانیکی خوب یا خواص الکتریکی خوب شده است. اما در اینجا ، با استفاده از فیبر کربن ، ما موفق به طراحی یک باتری سازه ای با ظرفیت ذخیره انرژی و سفتی شدیم ، لیف آسپ ، استاد Chalmers و رهبر پروژه توضیح می دهد.



دوچرخه های برقی فوق سبک و لوازم الکترونیکی مصرفی به زودی می تواند به واقعیت تبدیل شود

باتری جدید دارای الکترود منفی ساخته شده از فیبر کربن و الکترود مثبت ساخته شده از فویل آلومینیوم با پوشش لیتیوم آهن فسفات است. آنها توسط یک پارچه فایبرگلاس ، در یک ماتریس الکترولیت جدا می شوند. علیرغم موفقیت آنها در ایجاد باتری سازه ای ده برابر بهتر از باتری های قبلی ، محققان مواد را برای تلاش برای شکستن رکوردها انتخاب نکردند - بلکه آنها می خواستند تأثیرات معماری مواد و ضخامت جداکننده را بررسی و درک کنند.

در حال حاضر ، پروژه جدیدی با بودجه آژانس ملی فضایی سوئد در حال انجام است ، که در آن عملکرد باتری سازه ای بیشتر افزایش می یابد. فویل آلومینیومی با فیبر کربن به عنوان یک ماده تحمل کننده در الکترود مثبت جایگزین می شود و هم سفتی و هم چگالی انرژی را افزایش می دهد. جداکننده فایبرگلاس با یک نوع بسیار نازک جایگزین می شود ، که تأثیر بسیار بیشتری می گذارد و همچنین چرخه های شارژ سریعتر را نیز ارائه می دهد. انتظار می رود پروژه جدید ظرف دو سال به پایان برسد.

Leif Asp ، که این پروژه را نیز رهبری می کند ، تخمین می زند که چنین باتری می تواند به چگالی انرژی 75 Wh/kg و سختی 75 GPa برسد. این باعث می شود که باتری به اندازه آلومینیوم قوی باشد ، اما وزن نسبتاً کمتری دارد.



لیف آسپ ، استاد گروه علوم صنایع و مواد ، دانشگاه صنعتی چالمرز. او اولین مقاله خود را در مورد باتری های ساختاری در سال 2010 منتشر کرد و اکنون موفق شده است عملکرد چند منظوره را ده برابر بیشتر از نمونه اولیه باتری ساختاری قبلی نشان دهد. اعتبار: مارکوس فولینو ، دانشگاه فناوری چالمرز.

battery باتری ساختاری نسل بعدی پتانسیل فوق العاده ای دارد. اگر به فناوری مصرف کننده نگاه کنید ، تولید چند گوشی هوشمند ، لپ تاپ یا دوچرخه های برقی با نصف وزن امروز و جمع و جورتر در عرض چند سال کاملاً ممکن است.
و در دراز مدت ، کاملاً می توان تصور کرد که اتومبیل های برقی ، هواپیماهای برقی و ماهواره ها با باتری های ساختاری طراحی و تغذیه شوند.

ما واقعاً فقط با تخیلات خود در اینجا محدود هستیم. ما در رابطه با انتشار مقالات علمی خود در این زمینه مورد توجه بسیاری از انواع مختلف شرکت ها قرار گرفته ایم. Leif Asp می گوید ، به طور قابل ملاحظه ای علاقه زیادی به این مواد سبک و چند منظوره وجود دارد.

مرجع: "باتری ساختاری و عملکرد چند منظوره آن" توسط Leif E. Asp ، Karl Bouton ، David Carlstedt ، Shanghong Duan ، Ross Harnden ، Wilhelm Johannisson ، Marcus Johansen ، Mats KG Johansson ، Göran Lindbergh ، Fang Liu ، Kevin Peu ، Kevin Peu ، لین ام اشنایدر ، یوهانا خو و دان زنکرت ، 27 ژانویه 2021 ، تحقیقات پیشرفته انرژی و پایداری.
DOI: 10.1002/aesr.202000093

بیشتر در مورد: تحقیق در مورد باتری های ساختاری
باتری ساختاری از فیبر کربن به عنوان الکترود منفی و از فویل آلومینیوم با پوشش لیتیوم آهن به عنوان الکترود مثبت استفاده می کند. فیبر کربن به عنوان میزبان لیتیوم عمل می کند و بنابراین انرژی را ذخیره می کند. از آنجا که فیبر کربن همچنین الکترون ها را هدایت می کند ، از نیاز به رسانای مس و نقره نیز جلوگیری می شود - وزن را بیشتر کاهش می دهد. هر دو فیبر کربن و فویل آلومینیومی به خواص مکانیکی باتری ساختاری کمک می کنند. دو ماده الکترود توسط یک پارچه فایبرگلاس در یک ماتریس الکترولیت ساختاری جدا نگه داشته می شوند. وظیفه الکترولیت انتقال یونهای لیتیوم بین دو الکترود باتری ، و همچنین انتقال بارهای مکانیکی بین فیبرهای کربن و سایر قسمتها است.

این پروژه با همکاری دانشگاه فناوری چالمرز و موسسه فناوری KTH ، دو بزرگترین دانشگاه فنی سوئد ، اجرا می شود. الکترولیت باتری در KTH توسعه یافته است. این پروژه شامل پژوهشگران پنج رشته مختلف است: مکانیک مواد ، مهندسی مواد ، سازه های سبک وزن ، الکتروشیمی کاربردی و فناوری فیبر و پلیمر. بودجه از برنامه تحقیقاتی کمیسیون اروپا Clean Sky II و همچنین نیروی هوایی ایالات متحده تامین شده است.