A szénszálat elsősorban könnyű súlyának és erősségének és merevségének tekintjük. Amikor Leif Asp az anyagot vizsgálja, lát egy lehetőséget arra, hogy kettős feladatot tegyen arra, hogy drasztikusan javítsa az autók és a repülőgépek hatékonyságát.
„Az akkumulátor szerkezeti parazita” - mondja a svéd Chalmers Műszaki Egyetem mérnöke és professzora, vagyis növeli a súlyt és a hatékonyságot, anélkül, hogy hozzájárulna az általa táplált autó fizikai erejéhez és szerkezetéhez. De mi lenne, ha a járműveket elemekből építsék?
Az Asp valóban ott megy ezzel a technológiával. Autókat, repülőgépeket, csónakokat, még intelligens órákat és egyéb fogyasztói elektronikákat akar látni, amelyek olyan anyagból készülnek, amely testként és energiaforrásként egyaránt működik - ez az úgynevezett „szerkezeti akkumulátor”. A szerkezeti akkumulátorokat tartalmazó autó akár 50 tömegű is lehet. százalékkal kevesebb, mint egy tipikus EV-nél, amelynek alatt nehéz lítium-ion akkumulátorok vannak csomagolva, mondja Asp.
Nem hír, hogy a szénszál elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkezik. A grafithoz hasonlóan az anyag bizonyos konfigurációkban is képes vezetőképességre. A Chalmers Műszaki Egyetem kutatói amerikai szabadalmat kértek egy szénszálból készült akkumulátorra, ám az egyik tényleges forgalomba hozatala bonyolultnak bizonyult az ötletet tanulmányozó kevés ember számára. Az Asp csapata által készített új kutatások azonosították az anyag egy olyan aspektusát, amely sokkal reálisabbá teszi a lehetséges elemszerkezeti elemként való felhasználását.
Leif Asp szénszál fonallal (Johan Bodell, Chalmers Műszaki Egyetem) Az összes szén nem keletkezik egyenlőnek, és a különböző típusú szén különböző tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek lehetővé teszik őket a különféle felhasználásokban. Asp célja, hogy megértse, hogyan viselkedik, hogyan és miért, és alkalmazza ezt a szerkezeti alkalmazásokra.
„A szénszálak, amelyek a piacon elérhetők, szerkezeti vagy elektromos felhasználásra készültek, ” mondja. A szerkezeti alkalmazások a legismertebbek a szénből, amely kerékpárokat és más erős, könnyű termékeket alkot, de az elektromos alkatrészeket néha az anyagból is készítik, bár másfajta. Úgy véli, hogy van olyan szén, amely mindkettőre képes.
Legújabb kutatásukban Asp és munkatársai három összetett anyagot hasonlítottak össze és elektronmikroszkópos és lézerespektroszkópiás vizsgálattal vizsgálták meg őket. Összegyűjtötték a szálat akkumulátorokba, megvizsgálták a benne lévő szénatomok kristályainak méretét és tájolását, és összehasonlították a különféle anyagok merevségét, szilárdságát és elektrokémiai tulajdonságait. A kicsi, rendezetlenebb szerkezetű kristályok általában elektrokémiailag reaktívabbak - vagyis jobban képesek elektronokat felvenni, tárolni és felszabadítani, és így akkumulátorként működnek. Az ilyen típusú szén azonban kevésbé merev, mint a hosszabb és felsorolt kristályokkal rendelkezők. (Akárhogy is, nagyon kicsik; az Asp összehasonlította a rostot 18 és 28 angström közötti kristályokkal, és 100 és 300 angström közötti kristályokkal, és egy angstróm méter tíz milliárdodja.)
A kutatók látása olyan járművekről szól, amelyekben az autó karosszéria vagy repülőgép törzsének nagy része szerkezeti lítium-ion akkumulátorokból áll. (Yen Strandqvist, Chalmers Műszaki Egyetem) A jobb vezetőképesség elérése érdekében bizonyos mértékű merevséget szenvedő szénszálak használata nem jelenthet problémát, mivel az anyag még mindig merevebb volt, mint az acél, és képes volt viselni szerkezeti terhelést. Ugyancsak nem fogja feltölteni olyan hatékonyan, mint a hagyományos akkumulátorok, de ha az autó nagy részét cuccok alkotják, akkor nem kell, mert az általános hatékonyság továbbra is jelentősen növekszik. Az ipari partnerek, például az Airbus, amely 2015 óta működik együtt az Asp-vel, ezt „tömeg nélküli energiatárolásnak” nevezik.
Mégis, ez a technológia messze van a gyakorlati alkalmazástól - potenciálisan évtizedekig - mondja Adrian Mouritz, a Melbourne-i RMIT Egyetem mérnöki iskolájának ügyvezetõ dékánja. Mouritz a szénszál felhasználásával szerkezeti energiatárolással is foglalkozik, de munkája beépíti a lítium-ion akkumulátorokat a szénszendvicsekbe, segítve a strukturális terhelés egy részének elviselésében és csökkentve az elemek akkumulátorok holttömegét, bár nem olyan kiterjedten, mint az Asp verziója.
„Az általunk alkalmazott megközelítés szerint a kompozit anyag már bevált, maga az elem már bevált. Csak annyit próbálunk bizonyítani, hogy az akkumulátort integráljuk a kompozitba, ami sokkal kisebb lépés, amit meg kell tennünk ”- mondja Mouritz. „A Leif műszakilag bonyolultabb, ám hosszabb távon előnyei egyre erősebbek lesznek. Még mindig sokkal több kutatás és fejlesztés szükséges az adott rendszer anyagának és kialakításának optimalizálásához. "
Asp és laboratóriuma azon dolgozik, hogy életképessé váljon. Korai kutatás (2014 és korábbi) módosított szénszálak, bevezetve egy laminált polimer elektrolit burkolatot, amely elősegíti a rostok hatékonyabb tárolását és felszabadítását az ionokkal, ugyanúgy, mint a lítium-ion akkumulátor közbenső elektrolitot használ.
"Ahhoz, hogy ez repülni lehessen, természetesen sokáig távol lenne" - mondja Asp. Az Airbus-szal dolgozik egy olyan demó elõállításánál, amelyet a következõ évben bocsátanak ki, amely a belső lámpákat és kábeleket felváltja a szénszál szerkezetére. Noha a nagyobb súlymegtakarítás az üzemanyag-szükséglet kiküszöbölésével járhat, amely Mouritz szerint a légitársaság működési költségvetésének legalább egyharmadát teszi ki, az Airbus bemutató példája lesz annak, hogy a technológia életképes.
Mouritz először látja, hogy a technológiát a luxusautókra és a Formula 1 versenyautókra alkalmazzák, és széles körben alkalmazzák a fogyasztói piacon, amint az ár csökken és a megbízhatóság megerősítésre kerül. "Ha könnyítheti meg repülőgépét, és könnyedén könnyítheti meg autóját, ennek tényleges nettó költségmegtakarítása százmillióban rejlik, ha nem is milliárd dollárban" - mondja.
"Természetesen a másik dolog - tette hozzá Mourtiz -, hogy ha csökkentem az üzemanyag-égést, akkor ténylegesen csökkentem az üvegházhatású gázok kibocsátását."
