Tema

Lättare bilar med karossen som batteri

Det går att lagra energi direkt i kolfiber som batterielektroder, visar en studie från Chalmers. Detta öppnar dörrarna för lättare batterilösningar i ebilar och flygplan – och bli ett lyft i utvecklingen av elfordon. 

Passagerarflygplan måste bli betydligt lättare än idag för att kunna drivas med el. Även för bilar är minskad vikt mycket betydelsefullt för att körsträckan per batteriladdning ska kunna bli längre.

Den här typen av multifunktionella material kommer att kunna minska vikten väsentligt i framtidens flygplan och bilar – vilket är en nyckelutmaning för elektrifiering, menar Leif Asp, professor i material- och beräkningsmekanik på Chalmers

Han forskar om kolfibrernas förmåga att utföra fler uppgifter än att enbart vara förstärkningsmaterial, till exempel lagra energi.

Både kaross och batteri
– En kaross skulle då inte bara vara ett bärande element utan också fungera som batteri. Kolfibern kommer även att kunna användas för andra ändamål så som att ta tillvara på rörelseenergi, till sensorer, och som ledare av både energi och data. Om alla dessa funktioner var delar i en bilkaross eller ett flygplansskrov så skulle det kunna minska vikten med upp till 50 procent, säger Leif Asp.

Leif Asp och hans tvärvetenskapliga grupp av forskare är först med att studera hur kolfibrers mikrostruktur påverkar deras elektrokemiska egenskaper, det vill säga deras förmåga att fungera som elektroder i litiumjonbatterier.  De har valt olika typer av kommersiellt tillgängliga kolfibrer.

Forskarna arbetar med strukturella litiumjonbatterier där de negativa elektroderna utgörs av kolfiber och de positiva elektroderna av katodbelagd kolfiber. I bilden är batteriet uppladdat, vilket innebär att den negativa elektroden är fylld med de plusladdade litiumjonerna. Bild: Yen Strandqvist

En upptäckt är att kolfiber med små och svagt orienterade kristaller har goda elektrokemiska egenskaper men lägre styvhet relativt sett.

Jämför man detta med kolfiber som har stora och orienterade kristaller så är styvheten visserligen högre, men de elektrokemiska egenskaperna är för låga för att kunna användas i strukturella batterier.

Tillräcklig styvhet för ett flygplan
– Nu vet vi hur multifunktionella kolfibrer ska tillverkas för att uppnå hög energilagringsförmåga och samtidigt tillräckligt hög styvhet, säger Leif Asp. Att gå ner lite i styvhet är inga problem för många tillämpningar, såsom bilar och cyklar. Marknaden domineras idag av dyra kolfiberkompositer med en styvhet som är anpassad för flygplan. Här finns det alltså möjlighet för kolfibertillverkarna att utöka sitt sortiment.

I studien hade kolfibertyperna med goda elektrokemiska egenskaper något högre styvhet än stål, medan den typ som hade för dåliga elektrokemiska egenskaper är drygt dubbelt så styv som stål.

Forskarna samarbetar med både bil- och flygindustri, och Leif Asp säger att det för flygindustrins del kan vara aktuellt att öka kolfiberkompositernas tjocklek för att kompensera för minskad styvhet hos strukturella batterier. Det skulle i sin tur också öka kapaciteten för energilagring.

Strukturella batterier blir säkrare
– Nyckeln är att optimera fordonen på systemnivå – utifrån både vikt, hållfasthet, styvhet och elektrokemiska egenskaper. Det är lite av ett nytt sätt att tänka för fordonsbranschen, där man är mer van vid att optimera enskilda delar. Strukturella batterier kan kanske inte bli lika effektiva i sig som traditionella batterier, men eftersom de har en strukturell lastbärande förmåga så kan man göra mycket stora vinster på systemnivå.

– Den lägre energitätheten hos strukturella batterier skulle dessutom troligtvis göra dem säkrare än vanliga batterier, särskilt i kombination med att de inte skulle innehålla några flyktiga ämnen.

Artikeln:
Graphitic microstructure and performance of carbon fibre Li-ion structural battery electrodes i tidskriften Multifunctional Materials.

Kontakt:
Leif Asp, professor i material- och beräkningsmekanik, Chalmers, 031-772 15 43, leif.asp@chalmers.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Lättare bilar med karossen som batteri

 lästid ~ 3 min