Bezmasas strukturālās baterijas

Baterijas bez svara: 10x labākas par iepriekšējām strukturālajām baterijām

Pētnieki no Čalmeras Tehnnoloģiju universitātes ir izgatavojuši strukturālu bateriju akumulatoru, kas darbojas desmit reizes labāk nekā iepriekšējās versijas. Tas satur oglekļa šķiedru, kas vienlaikus kalpo kā elektrods, vadītājs un nesošais materiāls.

Mūsdienu elektroauto (EV) akumulatori veido lielu daļu no transportlīdzekļa svara, nepildot slodzes izturības funkciju. Savukārt strukturāls akumulators ir tāds, kas darbojas gan kā strāvas avots, gan kā konstrukcijas sastāvdaļa – piemēram, automašīnas virsbūvē. To sauc par bezmasas enerģijas uzkrāšanu, jo akumulatora svars nespēlē papildus lomu, jo ir daļa no nesošās konstrukcijas. Aprēķini rāda, ka šāda veida daudzfunkcionālie akumulatori varētu ievērojami samazināt dažādu elektrisko transportlīdzekļu un ierīču svaru.

Strukturālo bateriju izstrāde Čalmeras Tehnoloģiju universitātē (Chalmers University of Technology, CUT) notiek jau vairākus gadus, kuru laikā ir publicēti vairāki pētījumi, ieskaitot iepriekšējos atklājumus, kas saistīti ar noteiktiem oglekļa šķiedras veidiem. Papildus stingrībai un stiprībai šādiem akumulatoriem ir arī laba spēja ķīmiski uzglabāt elektrisko enerģiju.

Pirmais mēģinājums izgatavot strukturālo akumulatoru tika veikts jau 2007. gadā, taču līdz šim nebija veiksmīgi izdevies ražot baterijas, kurām ir gan labas elektriskās, gan mehāniskās īpašības. Pētnieki no CUT sadarbībā ar KTH Karalisko Tehnoloģiju institūtu Stokholmā prezentēja strukturālu akumulatoru ar īpašībām, kas ievērojami pārsniedz visu iepriekšējo attiecībā uz elektroenerģijas uzkrāšanos, stingrību un izturību. Šo akumulatoru daudzfunkcionālā veiktspēja ir desmit reizes lielāka nekā iepriekšējie strukturālie akumulatoru prototipi.

  Cietvielu akumulatoru tehnoloģijas

Prezentētā akumulatora enerģijas blīvums ir 24 Wh/kg, kas ir aptuveni 10% no ietilpības kāda šobrīd tiek lietota Tesla baterijās. Tomēr ar tām transportlīdzekļu svaru var ievērojami samazināt, kas samazinātu arī EV enerģijas patēriņu. Mazāks enerģijas blīvums arī palielina drošību. Strukturālais akumulators ar 25 GPa stingrību var konkurēt ar daudziem citiem bieži izmantotiem konstrukciju materiāliem.

Iepriekšējie mēģinājumi izgatavot strukturālās baterijas ir radījuši elementus ar labām mehāniskām īpašībām vai labām elektriskām īpašībām. Izmantojot oglekļa šķiedru, mums ir izdevies izstrādāt strukturālu akumulatoru ar konkurētspējīgu enerģijas uzglabāšanas jaudu un stingrību.

Leifs Asps, projekta vadītājs un Čalmeras Tehnoloģiju universitātes profesors

Šobrīd darbs notiek pie strukturālās baterijas veiktspējas palielināšanas. Alumīnija foliju plāno aizstāt ar oglekļa šķiedru kā nesošu materiālu pozitīvajā elektrodā, nodrošinot gan paaugstinātu stingrību, gan enerģijas blīvumu. Stikla šķiedras atdalītājs tiks aizstāts ar īpaši plānu variantu, kas dos daudz lielāku efektu – kā arī ātrākus uzlādes ciklus. Paredzams, ka jaunais projekts tiks pabeigts divu gadu laikā.

Profesors Leifs Asps, kurš arī vada šo projektu, lēš, ka šāda baterija varētu sasniegt enerģijas blīvumu 75 Wh/kg un stingrību 75 GPa. Tas padarītu akumulatoru apmēram tikpat izturīgu kā alumīnijs, bet ar salīdzinoši daudz mazāku svaru.

Nākamās paaudzes strukturālajiem akumulatoriem ir fantastisks potenciāls. Ja paskatās uz patērētāju tehnoloģijām, dažu gadu laikā varētu būt pilnīgi iespējams ražot viedtālruņus, klēpjdatorus vai elektriskos velosipēdus, kuru svars ir uz pusi mazāks un kuri ir daudz kompaktāki.

Leifs Asps, projekta vadītājs un Čalmeras Tehnoloģiju universitātes profesors

Ilgtermiņā ir pilnīgi iespējams, ka elektriskās automašīnas, elektriskās lidmašīnas un satelīti tiks projektēti ar strukturālajiem akumulatoriem.

  7 galvenās atziņas no Tesla bateriju dienas
Bezmasas strukturālās baterijas
Bezmasas strukturālās baterijas. Avots: Credit: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

Strukturālajā akumulatorā kā negatīvs elektrods tiek izmantota oglekļa šķiedra, bet kā pozitīvs elektrods – ar litija dzelzs fosfātu pārklāta alumīnija folija. Oglekļa šķiedra darbojas kā litija saimniece un tādējādi uzkrāj enerģiju. Tā kā oglekļa šķiedra vada arī elektronus, tiek novērsta arī nepieciešamība pēc vara un sudraba vadītājiem – tas vēl vairāk samazina svaru. Gan oglekļa šķiedra, gan alumīnija folija veicina strukturālā akumulatora mehāniskās īpašības. Abi elektrodu materiāli tiek turēti atdalīti ar stikla šķiedras audumu strukturālā elektrolīta matricā. Elektrolīta uzdevums ir transportēt litija jonus starp diviem akumulatora elektrodiem, bet arī pārnest mehāniskās slodzes starp oglekļa šķiedrām un citām daļām.

Uzlādēts viedoklis

Uzlādēts portālā nav daudz rakstu par nākotnes bateriju variācijām, jo tās parasti saceļ lielāku jezgu kā no tā ir patiesā labuma. Par cietvielu baterijām runā jau gadiem, bet reāla produkta līdz šim vēl nav. Tomēr šis liekas pietiekami interesants, jo pārvērš baterijas par daļu no konstrukcijas.

Ja runājam konkrēti par EV, tad varam rēķināties, ka šādā veidā varētu uzglabāt aptuveni 35 kWh. Pietiekami, lai vasarā veiktu 200 km ar vienu uzlādi, bet ne tik daudz, lai apmierinātu mūsdienu cilvēka iegribas. Tas nozīmē, ka varētu likt kombinācijā ar ne-strukturālajām baterijām. Kāpēc ne LiFePo4, kas ir lētākas par NCM, bet ar nedaudz mazāku enerģijas blīvumu?

  Elektroauto ar 1'000'000 km bateriju garantiju

Ja piepildās solītās 75 Wh/kg, tad attiecīgi jautājums ir par cenu. Ar esošo 24 Wh/kg enerģijas blīvumu tas neliekas konkurētspējīgs risinājums.

Ja rakstā pamanīji kļūdu, padod mums par to ziņu, iezīmējot ačgārno tekstu un nospiežot Ctrl+Enter. Paldies!

Uzlādēts veikals. Viss Tavam elektromobīlim/elektroauto. Uzlādes stacijas, wallbox, kabeļi un aksesuāri.
Kārlis Mendziņš
balsojums
Raksta novērtējums
Patika raksts? Atbalsti Uzlādēts iekš Patreon!
Baterijas bez svara: 10x labākas par iepriekšējām strukturālajām baterijām 1