Представлен структурный аккумулятор, который может увеличить запас хода электромобиля до 70%

Исследовательская группа Шведского Технологического университета Чалмерс представила передовое достижение в области безмассового накопления энергии - структурный аккумулятор, способный уменьшить вес ноутбука вдвое, сделать мобильный телефон тоньше кредитной карты и увеличить запас хода электромобиля до 70 процентов за один раз.

"Нам удалось создать аккумулятор из углеродного композита, который по прочности не уступает алюминию и достаточно энергоемкий, чтобы его можно было использовать в коммерческих целях”, - говорит исследователь компании Chalmers Рича Чаудхари.

Исследования структурных аккумуляторов долгое время ведутся в компании Chalmers. Новость о возможности применения углеродного волокна в качестве электродов в литий-ионных аккумуляторах быстро распространилась, и это достижение было признано одним из ведущих в 2018 году по версии авторитетного журнала Physics World.

Меньше вес - меньше энергозатраты

С тех пор исследовательская группа продолжает развивать свою концепцию, направленную на увеличение как жесткости, так и плотности энергии. В 2021 году был достигнут предыдущий рубеж, когда плотность энергии аккумулятора составляла 24 ватт-часа на килограмм (Втч / кг), что эквивалентно примерно 20-процентной емкости сопоставимого литий-ионного аккумулятора. В настоящее время его мощность достигает 30 Втч / кг. Хотя это все еще ниже, чем у современных аккумуляторов, контекст совершенно другой. Когда аккумулятор является частью конструкции и изготовлен из легкого материала, общий вес автомобиля значительно снижается. В результате для работы электромобиля требуется гораздо меньше энергии.

“Мы провели расчеты для электромобилей, которые показывают, что они могли бы проехать на 70 процентов дольше, чем сегодня, если бы у них были конкурентоспособные конструкционные аккумуляторы", - говорит руководитель исследования Лейф Асп.

Использование в автомобилестроении

При разработке транспортных средств высокие требования предъявляются к конструкции, которая должна быть прочной и обеспечивать безопасность. Исследовательская группа значительно увеличила жесткость конструктивного элемента аккумуляторной батареи, то есть модуль упругости, с 25 до 70 гигапаскалей (ГПа). Это означает, что данный материал способен выдерживать нагрузки на уровне алюминия, но при этом имеет меньший вес.

Но перед командой стоит еще много инженерных задач, которые нужно решить до того, как аккумуляторы смогут перейти с лабораторных исследований на небольшом масштабе к массовому производству для технических устройств или транспортных средств.

“Потребуются крупные инвестиции для удовлетворения сложных энергетических потребностей транспортной отрасли, но именно здесь технология может принести наибольшую пользу", - говорит Лейф Асп, который заметил большой интерес со стороны автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Конструкционные аккумуляторы

Конструкционные аккумуляторы - это материалы, способные не только сохранять энергию, но и выдерживать нагрузки. Это означает, что материал аккумулятора может стать частью основного строительного материала изделия, что позволяет значительно сократить его вес. Такие инновации применяются, например, в электромобилях, дронах, портативных инструментах, ноутбуках и мобильных телефонах.

Разработанная концепция аккумулятора основана на композитном материале с углеродным волокном в качестве положительного и отрицательного электродов. При этом положительный электрод покрыт фосфатом лития и железа, в отличие от предыдущей концепции, где сердечник положительного электрода был изготовлен из алюминиевой фольги.

Ионы лития в аккумуляторе транспортируются между клеммами через полутвердый электролит, а не через жидкий, что представляет собой сложную задачу при достижении высокой мощности. Для этого требуются дополнительные исследования. В то же время такая конструкция способствует повышению безопасности аккумуляторного элемента путем снижения риска возгорания.