Czy baterie muszą tyle ważyć? Ten materiał sprawia, że stają się lekkie i przypominają ludzki szkielet

Oprócz magazynowania energii baterie strukturalne mogą przenosić obciążenia. W ten sposób materiał baterii może staje się niejako częścią samej konstrukcji produktu, co oznacza znacznie jego dużo niższą masę. Szczególne korzyści z baterii strukturalnych odczujemy w samochodach elektrycznych, dronach, elektronarzędziach, laptopach i telefonach. No dobrze, ale jakiego materiału użyć, żeby takie baterie miały w ogóle sens? Badania prowadzone ostatnio przez naukowców w Szwecji wykorzystują do tego celu włókno węglowe. A z jakim skutkiem?

Wyniki eksperymentu opublikowane w serwisie Advanced Materials, pokazują ścieżkę jaką ekipa ze Szwecji przeszła od 2018 roku, kiedy to pierwszy raz pokazano światu jak włókna węglowe mogą chemicznie przechowywać energię elektryczną (de facto funkcjonować jako elektrody w akumulatorach litowo-jonowych). Od tamtej pory projekt poddawano licznym udoskonaleniom, czego pierwszy wyraźny efekt przyszedł w 2021 roku – ówczesna bateria strukturalna miała gęstość energii na poziomie 24 watogodzin na kilogram (Wh/kg), co oznacza około 20% pojemności porównywalnej baterii litowo-jonowej. Obecnie ten wskaźnik wynosi już 30 Wh/kg.

Nadal niewiele w porównaniu ze standardowymi bateriami, ale warto pamiętać, że Gdy bateria jest częścią konstrukcji i może być również wykonana z lekkiego materiału, całkowita waga pojazdu jest znacznie zmniejszona. Wówczas do napędzania np. samochodu elektrycznego nie potrzeba aż tak dużo energii. Jednocześnie udało się zwiększyć sztywność baterii, a dokładniej moduł sprężystości, który jest mierzony w gigapaskalach (GPa), z 25 do 70. Oznacza to, że materiał może przenosić obciążenia równie dobrze jak aluminium, ale przy niższej masie własnej.

Czytaj też: Na takie baterie do elektryków czekamy. Przy ich czasie ładowania nie zdążysz nawet spokojnie wypić kawy

Włókno węglowe pełni tu zarówno rolę elektrody dodatniej, jak i ujemnej – przy czym elektroda dodatnia jest pokryta fosforanem litowo-żelazowym. W anodzie działa jako wzmocnienie, a także jako kolektor elektryczny i materiał aktywny. W katodzie działa jako wzmocnienie, kolektor prądu i rusztowanie dla litu. Gdy prezentowano poprzednią koncepcję baterii, rdzeń elektrody dodatniej był wykonany z folii aluminiowej. W akumulatorze jony litu są transportowane między zaciskami akumulatora przez półstały elektrolit zamiast ciekłego, co stanowi wyzwanie, jeśli chodzi o uzyskanie dużej mocy i w tym celu potrzebne są dalsze badania. Jednocześnie konstrukcja ta przyczynia się do zwiększenia bezpieczeństwa ogniwa akumulatora poprzez zmniejszenie ryzyka pożaru.