Balita sa industriya

Malaking Breakthrough para sa â € œMasslessâ € Imbakan ng Enerhiya: Structural Baterya Na Gumagawa ng 10x Mas mahusay kaysa sa Lahat ng Naunang Mga Bersyon

2021-06-18
PAKSA: Teknolohiya ng Baterya, University of Technology ng Chalmers, Enerhiya, Materyal na Agham, Sikat
Sa pamamagitan ng CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MARCH 24, 2021



Ang mga istruktura ng istruktura ng baterya ay hindi maaaring mag-imbak ng mas maraming enerhiya tulad ng mga baterya ng lithium-ion, ngunit may maraming mga katangian na ginagawang lubos silang kaakit-akit para magamit sa mga sasakyan at iba pang mga application. Kapag ang baterya ay naging bahagi ng istraktura ng pagdadala ng pag-load, ang masa ng baterya ay mahalagang "nawawala". Kredito: Yen Strandqvist / Chalmers University of Technology.

Ang mga mananaliksik mula sa Chalmers University of Technology ay gumawa ng isang istrukturang baterya na gumaganap ng sampung beses na mas mahusay kaysa sa lahat ng nakaraang mga bersyon. Naglalaman ito ng carbon fiber na nagsisilbi nang sabay-sabay bilang isang electrode, conductor, at materyal na nagdadala ng pagkarga. Ang kanilang pinakabagong tagumpay sa pagsasaliksik ay nagbubukas ng paraan para sa mahalagang â € ™ masslessâ € ™ imbakan ng enerhiya sa mga sasakyan at iba pang teknolohiya.

Ang mga baterya sa mga kotseng kuryente ngayon ay bumubuo ng isang malaking bahagi ng bigat ng mga sasakyan, nang hindi natutupad ang anumang pag-andar ng pag-load. Ang isang baterya ng istruktura, sa kabilang banda, ay isa na gumagana bilang parehong mapagkukunan ng kuryente at bilang bahagi ng istraktura, halimbawa, sa isang katawan ng kotse. Ito ay tinatawag na â € ˜masslessâ € ™ na imbakan ng enerhiya, sapagkat sa kabuluhan ang bigat ng baterya ay nawawala kapag ito ay naging bahagi ng istraktura ng pag-load. Ipinapakita ng mga pagkalkula na ang ganitong uri ng multifunctional na baterya ay maaaring mabawasan ang bigat ng isang de-koryenteng sasakyan.

Ang pag-unlad ng mga istrukturang baterya sa Chalmers University of Technology ay nagpatuloy sa maraming taon ng pagsasaliksik, kasama na ang mga nakaraang pagtuklas na kinasasangkutan ng ilang mga uri ng carbon fiber. Bilang karagdagan sa pagiging matigas at malakas, mayroon din silang mahusay na kakayahang mag-imbak ng elektrikal na enerhiya na kemikal. Ang gawaing ito ay pinangalanan ng Physics World bilang isa sa sampung pinakamalaking tagumpay sa agham ng 2018.

Ang unang pagtatangka upang makagawa ng isang istrukturang baterya ay ginawa pa noong 2007, ngunit sa ngayon ay napatunayan na mahirap ang paggawa ng mga baterya na may parehong mahusay na katangian ng elektrikal at mekanikal.



Ang Doctor Johanna Xu na may isang bagong gawa na istruktura na cell ng baterya sa komposit na lab ng Chalmers, na ipinakita niya kay Leif Asp. Ang cell ay binubuo ng isang carbon fiber electrode at isang lithium iron phosphate electrode na pinaghihiwalay ng isang tela ng fiberglass, lahat ay pinapagbinhi ng isang struktural na electrolyte na baterya para sa pinagsamang mekanikal at elektrikal na pag-andar. Tatlong mga istrukturang baterya ang nakakonekta sa serye at nakalamina bilang bahagi ng isang mas malaking pinaghalong nakalamina. Ang bawat cell ng istruktura ng baterya ay may nominal na boltahe na 2.8 V. Ang nakalamina ay may kabuuang boltahe na 8.4 V at isang tigas sa eroplano na higit sa 28 GPa lamang. Kredito: Marcus Folino, Chalmers University of Technology.

Ngunit ngayon ang pag-unlad ay nagsagawa ng isang tunay na hakbang pasulong, kasama ang mga mananaliksik mula sa Chalmers, sa pakikipagtulungan sa KTH Royal Institute of Technology sa Stockholm, na nagpapakita ng isang istrukturang baterya na may mga katangian na higit na nalalaman ang anumang nakikita, sa mga tuntunin ng pag-iimbak ng enerhiya, katigasan at lakas . Ang multifunctional na pagganap nito ay sampung beses na mas mataas kaysa sa mga nakaraang prototype ng baterya ng istruktura.

Ang baterya ay may density ng enerhiya na 24 Wh / kg, nangangahulugang humigit-kumulang 20 porsyento na kapasidad kumpara sa maihahambing na mga baterya ng lithium-ion na kasalukuyang magagamit. Ngunit dahil ang bigat ng mga sasakyan ay maaaring mabawasan nang malaki, mas kaunting enerhiya ang kakailanganin upang magmaneho ng isang de-kuryenteng kotse, halimbawa, at ang mas mababang lakas ng enerhiya ay nagreresulta din sa pagtaas ng kaligtasan. At sa isang tigas ng 25 GPa, ang istrukturang baterya ay maaaring talagang makipagkumpetensya sa maraming iba pang mga karaniwang ginagamit na materyales sa konstruksyon.

"Ang mga nakaraang pagtatangka upang makagawa ng mga baterya ng istruktura ay nagresulta sa mga cell na alinman sa mahusay na mga katangian ng mekanikal, o mahusay na mga katangian ng kuryente. Ngunit dito, gamit ang carbon fiber, nagtagumpay tayo sa pagdidisenyo ng isang istrukturang baterya na may parehong mapagkumpitensyang enerhiya na imbakan na kapasidad at tigas, "paliwanag ni Leif Asp, Propesor sa Chalmers at pinuno ng proyekto.



Ang mga sobrang ilaw na electric bikes at electronics ng consumer ay maaaring maging isang katotohanan sa lalong madaling panahon

Ang bagong baterya ay may negatibong elektrod na gawa sa carbon fiber, at isang positibong elektrod na gawa sa isang lithium iron phosphate-coated aluminyo foil. Pinaghiwalay sila ng isang tela ng fiberglass, sa isang electrolyte matrix. Sa kabila ng kanilang tagumpay sa paglikha ng isang istrukturang baterya ng sampung beses na mas mahusay kaysa sa lahat ng nakaraang, ang mga mananaliksik ay hindi pumili ng mga materyales upang subukan at masira ang mga talaan, sa halip, nais nilang siyasatin at maunawaan ang mga epekto ng materyal na arkitektura at kapal ng separator.

Ngayon, isang bagong proyekto, na pinondohan ng Sweden National Space Agency, ay isinasagawa, kung saan ang pagganap ng istruktura na baterya ay tataas pa. Ang aluminyo palara ay papalitan ng carbon fiber bilang isang materyal na nagdadala ng karga sa positibong elektrod, na nagbibigay ng parehong tumaas na higpit at density ng enerhiya. Ang separator ng fiberglass ay papalitan ng isang ultra-manipis na variant, na magbibigay ng isang mas malaking epekto, pati na rin ang mas mabilis na pag-charge ng mga cycle. Ang bagong proyekto ay inaasahang makukumpleto sa loob ng dalawang taon.

Si Leif Asp, na namumuno din sa proyektong ito, ay tinantya na ang naturang baterya ay maaaring umabot sa isang density ng enerhiya na 75 Wh / kg at isang tigas na 75 GPa. Gagawin nito ang baterya na kasing lakas ng aluminyo, ngunit may isang medyo mas mababang timbang.



Leif Asp, Propesor sa Kagawaran ng Agham Pang-industriya at Materyal, Chalmers University of Technology. Nai-publish niya ang kanyang unang papel sa mga baterya ng istruktura noong 2010, at nagtagumpay ngayon sa pagpapakita ng pagganap na multifunctional na sampung beses na mas mataas kaysa sa anumang nakaraang prototype ng baterya ng istruktura. Kredito: Marcus Folino, Chalmers University of Technology.

"Ang susunod na henerasyon ng istrukturang baterya ay may kamangha-manghang potensyal. Kung titingnan mo ang teknolohiya ng konsyumer, maaaring posible sa loob ng ilang taon upang makagawa ng mga smartphone, laptop o de-kuryenteng bisikleta na tumitimbang ng kalahati hanggang ngayon at mas compact, "sabi ni Leif Asp.
At sa mas matagal na term, ito ay ganap na maiisip na ang mga de-kuryenteng kotse, electric eroplano at satellite ay idinisenyo kasama at pinalakas ng mga istrukturang baterya.

â € œNaglilimitahan lamang kami ng aming mga imahinasyon dito. Nakatanggap kami ng maraming pansin mula sa maraming iba't ibang mga uri ng mga kumpanya na may kaugnayan sa paglalathala ng aming mga pang-agham na artikulo sa patlang. Mayroong naiintindihan na isang malaking halaga ng interes sa mga magaan, multifunctional na materyales, "sabi ni Leif Asp.

Sanggunian: âA Structural Battery at ang Multifunctional Performance na itoâ € ni Leif E. Asp, Karl Bouton, David Carlstedt, Shanghong Duan, Ross Harnden, Wilhelm Johannisson, Marcus Johansen, Mats KG Johansson, Göran Lindbergh, Fang Liu, Kevin Peuvot , Lynn M. Schneider, Johanna Xu at Dan Zenkert, 27 Enero 2021, Advanced Energy & Sustainability Research.
DOI: 10.1002 / aesr.202000093

Higit pa tungkol sa: Ang pananaliksik sa mga baterya ng istruktura
Ang istrukturang baterya ay gumagamit ng carbon fiber bilang isang negatibong elektrod, at isang lithium iron phosphate-coated aluminyo foil bilang positibong elektrod. Ang carbon fiber ay gumaganap bilang isang host para sa lithium at sa gayon ay iniimbak ang enerhiya. Dahil ang carbon fiber ay nagsasagawa rin ng mga electron, ang pangangailangan para sa mga conductor ng tanso at pilak ay maiiwasan din - na binabawasan pa ang bigat. Ang parehong carbon fiber at ang aluminyo foil ay nag-aambag sa mga mekanikal na katangian ng istruktura na baterya. Ang dalawang mga materyal na elektrod ay pinananatiling pinaghihiwalay ng isang tela ng fiberglass sa isang struktural electrolyte matrix. Ang gawain ng electrolyte ay upang ilipat ang mga lithium ions sa pagitan ng dalawang electrodes ng baterya, ngunit din upang ilipat ang mga mechanical load sa pagitan ng mga carbon fibers at iba pang mga bahagi.

Ang proyekto ay pinatakbo sa pakikipagtulungan sa pagitan ng University of Technology ng Chalmers at ng KTH Royal Institute of Technology, dalawang pinakamalaking teknikal na unibersidad sa Sweden. Ang electrolyte ng baterya ay binuo sa KTH. Ang proyekto ay nagsasangkot ng mga mananaliksik mula sa limang magkakaibang disiplina: materyal na mekanika, materyales sa engineering, magaan na istraktura, inilapat na electrochemistry at fiber at polymer na teknolohiya. Ang pagpopondo ay nagmula sa programa ng pagsasaliksik ng European Commission na Clean Sky II, pati na rin ang US Airforce.