Въглеродните влакна се използват предимно за лекото си тегло и ценени за своята здравина и твърдост. Но когато Лейф Асп разглежда материала, той вижда възможност да го накара да изпълнява двойно задължение по начин, който би могъл драстично да подобри ефективността на автомобилите и самолетите.
„Батерията е структурен паразит“, казва инженерът и професорът от Техническия университет в Челмърс в Швеция, което означава, че добавя тегло и ефикасност на сапса, без да допринася за физическата здравина и структура на автомобила, който захранва. Но какво ще стане, ако превозните средства са изградени от батерии?
Именно там Asp наистина върви с тази технология. Той иска да вижда автомобили, самолети, лодки, дори умни часовници и друга потребителска електроника, направена от материал, който действа и като тялото, и като източник на енергия - нещо известно като „структурна батерия“. Автомобил, включващ структурни батерии, може да тежи до 50 процента по-малко от обикновен EV, който има тежки литиево-йонни батерии под него, казва Асп.
Не е новина, че въглеродните влакна имат електрохимични свойства. Подобно на графита, материалът в определени конфигурации е способен на проводимост. Изследователи от Техническия университет в Chalmers са кандидатствали за патент на САЩ на батерия, направена от въглеродни влакна, но всъщност извеждането на такъв на пазара се оказа сложно за малкия брой хора, изучаващи идеята. Ново проучване на екипа на Asp определи конкретен аспект на материала, който прави потенциалното му използване като структурни батерии много по-реалистично.
Лейф Асп с калер от прежди от въглеродни влакна (Йохан Бодел, Технически университет в Чалмърс) Целият въглерод обаче не е създаден равен, а различните видове въглерод имат различни свойства, които ги правят приложими за различни приложения. Целта на Asp е да разбере какво се държи как и защо и да приложи това към структурните приложения.
„Въглеродните влакна, които се предлагат на пазара, са направени за структурни приложения или за електрически приложения“, казва той. Структурните приложения са това, което сме най-запознати, от въглерода, който съставя велосипеди и други силни, леки продукти, но електрическите компоненти понякога са направени и от материала, макар и с различен тип. Той вярва, че има въглерод, който може да направи и двете.
В последните си изследвания Асп и неговите сътрудници сравняват три композита и ги изследват чрез електронна микроскопия и лазерна спектроскопия. Те вградиха влакното в батерии, разгледаха размера и ориентацията на кристалите от въглеродни атоми, свързани в тях, и сравниха твърдостта, здравината и електрохимичните свойства на различните материали. По-малките кристали с по-дезориентирана структура са склонни да бъдат по-електрохимично реактивни - тоест те са по-способни да поемат, съхраняват и освобождават електрони и по този начин действат като батерии. Тези видове въглерод обаче са по-малко твърди от тези с кристали, които са по-дълги и облицовани. (Така или иначе те са много малки; Асп сравнява фибрите с кристали от 18 до 28 ангстреми с кристали от 100 до 300 ангстреми, а анстремът е един десет милиарда от метър.)
Визията на изследователите е на превозни средства, при които голяма част от корпуса на колата или самолета на фюзелажа на самолета се състои от структурни литиево-йонни батерии. (Йен Страндквист, Технически университет в Чалмерс) Използването на въглеродни влакна, които жертват известна коравина, за да се постигне по-добра проводимост, може да не е проблем, тъй като материалът все още е по-твърд от стоманата и е способен да носи структурен товар. Той също така няма да зареди толкова ефективно, колкото традиционните батерии, но тогава, ако по-голямата част от колата е съставена от тези неща, няма да е необходимо, тъй като общата ефективност все още ще бъде значително повишена. Партньори в отрасъла като Airbus, който работи с Asp от 2015 г., наричат това като "масова съхранение на енергия".
И все пак това е много дълъг път от технологията - потенциално десетилетия, казва Адриан Моуриц, изпълнителен декан на инженерната школа в университета RMIT в Мелбърн. Моуриц също работи за структурно съхранение на енергия, използвайки въглеродни влакна, но работата му вгражда литиево-йонни батерии в сандвичи с въглерод, помагайки за пренасяне на част от структурното натоварване и намаляване на мъртвото тегло на батериите, макар и не толкова широко, колкото версията на Asp.
„Подходът, който използваме, композитният материал вече е доказан, самата батерия вече е доказана. Всичко, което се опитваме да докажем, е интегрирането на батерията в композита, което е много по-малка стъпка, която трябва да предприемем “, казва Моуриц. „Leif's е… по-сложен от техническа гледна точка, но ползите от него в дългосрочен план ще бъдат по-силни. Все още просто са необходими много повече изследвания и разработки, за да се оптимизират материалите и дизайна на същинската система. “
Асп и неговата лаборатория работят, за да го направят жизнеспособен вече. Ранните изследвания (2014 г. и преди това) модифицираха въглеродни влакна, въвеждайки обвивка от ламинирани полимерни електролити, която помага на влакната да съхраняват и освобождават йони по-ефективно, по същия начин, по който литиево-йонната батерия използва намесен електролит.
„За да може това да лети, разбира се, ще бъде много отдалечено“, казва Асп. Той работи с Airbus за създаването на демонстрация, която ще бъде пусната през следващата година, която заменя вътрешните светлини и кабелите със структурни въглеродни влакна. Въпреки че по-голямата икономия на тегло може да бъде премахване на необходимостта от гориво, което според Моуриц представлява една трета или повече от оперативния бюджет на авиокомпанията, демонстрацията на Airbus ще бъде илюстрация, че технологията е жизнеспособна.
Моуриц вижда, че технологията се прилага на първо място за луксозни автомобили и състезателни коли във Формула 1, както и широко приложение на потребителския пазар, след като цената спадне и надеждността се потвърди. "Ако можете да олекотите самолета си, ако можете да олекотите автомобила си, реалните икономии на нетни разходи от това са в стотиците милиони, ако не и в милиардите долари", казва той.
„Другото нещо, разбира се“, добавя Муртис, „е, ако намалявам изгарянето на горивото, всъщност намалявам емисиите на парникови газове.“
