Svenske forskere har bygget en uvanlig variant av karbonfibermaterialer. De fungerer som vanlige konstruksjonsmaterialer lik de vi finner i biler, fly, sykler og stadig flere anvendelser hvor man trenger styrke og lav vekt.
Men de nye materialene har en egenskap til. De fungerer også som et batteri.
Det åpner et vell av nye muligheter: Man kan redusere vekten av batterier, eller fjerne dem helt i for eksempel elbiler, og gjøre dem mye lettere. Det vil gi elbiler økt kjørelengde, men også mindre materialforbruk og kanskje gjøre dem billigere på sikt.
Strukturelle materialer
I en karbonfiberforsterket polymerkompositt, som brukes i moderne fly eller i biler (som BMW i3), brukes materialer av epoksy forsterket med karbonfibre. I slike materialer er epoksyens rolle å overføre mekaniske belastninger mellom fibre, noe som gjør kompositten til et sterkt og stivt materiale.
For å bruke komposittmaterialet til å lagre strøm har forskere ved Chalmers i Göteborg og KTH i Stockholm erstattet epoksyen med et fast materiale av en såkalt polymerelektrolytt. Det gjør at man legger til en ny funksjon, nemlig evnen til å lede litiumioner. Karbonfibrene er vist å ha gode egenskaper til å lagre elektrisk energi. Det gjøre at karbonfibrene i komposittmaterialet kan brukes som anode, altså den positive elektroden. Men det trengs også en katode - en negativ elektrode for å få et batteri. Den lager de av karbonfibre som er påført et sjikt av katodematerialer.
Anoden og katoden er skilt med et veldig tynt sjikt på rundt 20 mikrometer av glassfiber som fungerer som en separator. Selve polymeren, altså den som erstatter den tradisjonelle epoksyen, er porøs med hulrom på rundt 100 nanometer, og den er gjennomvåt av den ioneledende elektrolyttvæsken som er over alt i det nye såkalte strukturelle batteriet.
- Les også: Denne pluggen skal sørge for at huset ditt bruker mest mulig strøm når strømmen er billigst (TU Ekstra)
Blir energilager
På denne måten fungerer dette som et nytt byggemateriale med helt nye egenskaper.
Materialet kan gis de samme mekaniske egenskapene som tradisjonelle karbonfiberkompositter, samtidig som det fungerer som et batteri med stor evne til å lagre elektrisk energi.
— Det vi har gjort er altså å tenke nytt rundt karbonfibermaterialer som brukes i stadig større grad i moderne transportmidler. Ved å erstatte epoksyen med en ioneledende polymer, kan vi både få de mekaniske egenskapene som karbonfiber er kjent for og samtidig skape et betydelig energilager, sier professor ved avdeling for material- og beregningsmekanikk ved Chalmers i Göteborg, Leif Asp.
Testing av de nye materialene viser at de kan oppnå en ladetetthet på mellom 100 og 150 Wh/kg. Det er rundt halvparten av det man oppnår med moderne litiumionebatterier, men Asp tror det er mulig å øke ladetettheten med videre utvikling av teknologien.
Sparer mye vekt
Han peker på at ved å utnytte slike strukturelle energilagre i fly, er det store muligheter til å spare energi. I en Airbus A350 er 55 prosent av vekten til flykroppen karbonfiberkompositter. Slike fly har ledninger som veier mange tonn for å føre strøm fra batterier og generatorer til forbruket rundt om i flyet. Ved å bruke selve flykroppen som energilager kan veldig mye av denne vekten fjernes. Det å redusere vekt har en direkte effekt på forbruket, men at flyet lades på bakken med fornybar energi vil også bidra til å senke CO2-utslippet ytterligere.
Bruke karosseriet som batteri
Bilindustrien er naturlig nok interessert å redusere vekten i kjøretøyene på grunn av utslippskravene, og for å øke kjørelengden i elbiler. BMW i3 er kanskje det fremste eksemplet på dette hvor det meste av bilen er bygget i karbonfiber.
Forskerne har ikke bygget en i3 med strukturelle karbonfiberbatterier, men de har beregnet effekten av dette. En original i3 har en vekt på 1300 kilo og et batteri på 33 kWh, som også kan uttrykkes som 90 Ah. Den har en kjørelengde på 230 kilometer.
I det første eksemplet er det regnet på å fjerne det forskerne kaller det monofunksjonelle batteriet i BMW-en og bruke strukturelt komposittbatterier i deler av konstruksjonen i stedet for den vanlige karbonfiberstrukturen denne bilen bygges med. Selv om BMW i3 er en lett elbil, sparer man veldig mye vekt, men i dette eksemplet blir kjørelengden en god del kortere enn batterivarianten med 90 Ah. Men fordi vekten kan reduseres med 230 kilo blir kjørelengden likevel 120 kilometer selv om det strukturelle komposittbatteriet bare blir på 37,5 Ah.
I det andre eksemplet forskerne har regnet på har de doblet tykkelsen i det strukturelle batteriet i forhold til det som benyttes i første eksemplet. Da dobles også energiinnholdet, men vekten går opp til 1230 kilo. Kjørelengden øker da til 207 kilometer.
I det siste eksemplet har de regnet på hvor mye strukturelt karbonfiberbatteri de trenger for å oppnå samme kjørelengde som den originale i3-en. Det betyr at betydelig mer av den originale karbonfiberen erstattes med det nye strukturelle karbonfibermaterialet. Da får man den samme energilagingskapasiteten som i det forrige eksemplet, men vekten går mye ned fordi man fordeler energilageret tynnere fibermaterialer. Altså ikke dobbelt så tykke som i eksempel to. Fordi vekten går så mye ned blir kjørelengden den samme som i en vanlig i3 med et 33 kWh batteri.
Se intervju med Leif Asp:
Mange anvendelser
— Jeg tror det er anvendelser i flyindustrien som er lengst unna. Det vil sikkert ta 15 år eller mer før vi ser strukturelle batterier her, men det kan komme mye tidligere på andre bruksområder, som i bilindustrien. Etter hvert som overgangen til elbiler skyter fart vil det bli mer fokus på vekten. Det å kombinere energilagring med strukturell funksjonalitet kan være en god måte å redusere den på. Jeg tror også vi kan se det i f. eks. ulike tekstiler, f. eks. i de som brukes av brannfolk og bekledning til folk som beveger seg i skog og mark og trenger strøm til mobiler og lys, sier Asp.
