Stort genombrott för ”viktlös” energilagring

Forskare på Chalmers har i experimentella studier tillverkat ett strukturellt batteri som är tio gånger bättre än alla tidigare. Det innehåller kolfiber som parallellt fungerar som elektrod, strömledare och bärande material. Batteriet öppnar dörren för så kallad ”viktlös” energilagring i till exempel fordon och farkoster.

Batterierna i dagens elbilar utgör en stor del av fordonens vikt, och de fyller inte heller någon bärande funktion. Ett strukturellt batteri kan däremot fungera både som batteri och vara en del av strukturen i till exempel en bilkaross. Det kallas för viktlös energilagring eftersom batteriets massa ”försvinner” när batteriet blir en del av den bärande konstruktionen. Beräkningar visar att man med den här typen av multifunktionella batterier kraftigt skulle kunna reducera vikten på en bil.

Utvecklingen av strukturella batterier bygger på tidigare forskning där man upptäckte att vissa typer av kolfiber, förutom att vara styva och starka, också visat sig ha god förmåga att lagra elektrisk energi kemiskt. Dessa upptäckter utsågs 2018, av ansedda Physics World, till ett av årets tio största genombrott.

Det första försöket att göra ett strukturellt batteri gjordes redan 2007 vid Army Research Laboratory i USA, men det har hittills visat sig svårt att tillverka batterier med både goda elektriska och mekaniska egenskaper. Nu tar dock utvecklingen ett rejält kliv framåt när forskare på Chalmers, i ett samverkansprojekt med KTH, kan visa upp ett strukturellt batteri med kombinerade egenskaper som vida överstiger något som tidigare har tillverkats, vad gäller elektrisk energilagring, styvhet och hållfasthet. Om man ser till den multifunktionella prestandan så är den 10 gånger högre än hos andra strukturella batterier.

Batteriet har en energitäthet på 24 Wh/kg, vilket innebär ungefär 20 procents kapacitet jämfört med jämförbara litiumjonbatterier på marknaden idag. Men eftersom vikten på produkterna kan reduceras kraftigt så kommer inte heller lika mycket energi att krävas för att driva till exempel en elbil. Om man kan använda sig av en lägre energitäthet så ökar också säkerheten. Med en styvhet på 25 GPa så kan det strukturella batteriet mäta sig med flera andra konstruktionsmaterial.

– Tidigare försök att göra strukturella batterier har resulterat i celler med endera goda mekaniska eller goda elektriska egenskaper. Här lyckas vi, genom att utnyttja kolfibrer, demonstrera ett strukturellt batteri med konkurrenskraftig energilagringsförmåga och styvhet, säger Leif Asp, professor vid Chalmers och ledare för projektet.

Superlätta laptops och elcyklar kan snart vara verklighet
Det nya batteriet har en negativ elektrod av kolfiber, och en motelektrod gjord av en litiumjärnfosfatbelagd aluminiumfolie. De separeras av en glasfiberväv i en elektrolytmatris. Trots att man lyckats skapa ett strukturellt batteri som är tio gånger bättre än alla tidigare så valdes inte materialen för att slå rekord, utan för att ge ökad förståelse för effekterna av materialarkitektur och separatortjocklek.

Nu är man redan i gång med att nytt projekt, finansierat av Rymdstyrelsen, där man ytterligare ska öka det strukturella batteriets prestanda. Aluminiumfolien kommer att ersättas med en kolfiber som lastbärarande material i den positiva elektroden. Det kommer att ge både ökad styvhet och energitäthet. Glasfiberseparatorn kommer att ersättas med en ultratunn variant vilket kommer att ge en mycket större effekt, vilket i sin tur innebär snabbare i- och urladdning. Det nya projektet förväntas vara klart inom två år.

Leif Asp, som leder även detta projekt, bedömer att ett sådant batteri skulle kunna nå en energitäthet på 75 Wh/kg och en styvhet på 75 GPa. Det innebär att batteriet blir ungefär lika starkt som aluminium fast med en jämförelsevis mycket lägre vikt.

– Nästa generations strukturella batteri har mycket stor potential. Om man ser till konsumentteknik så kommer det vara fullt möjligt att inom några år kunna tillverka bärbara datorer, smarta telefoner eller elcyklar som väger hälften så mycket som idag, och är mycket mer kompakta. En smartphone skulle till exempel kunna byggas mycket tunn, säger Leif Asp.

På längre sikt kan man definitivt tänka sig att elbilar, elflygplan och satelliter konstrueras och energiförsörjs av strukturella batterier.

– Det är egentligen bara fantasin som sätter gränserna. Vi har fått väldigt mycket uppmärksamhet från många olika typer av företag i samband med att vi publicerar våra vetenskapliga artiklar inom området. Så det märks att det finns ett stort intresse för lättviktsmaterial med multifunktionella egenskaper, säger Leif Asp.

Läs artikeln i den vetenskapliga tidskriften Advanced Energy & Sustainability Research: A Structural Battery and its Multifunctional Performance

Se video på Youtube: Strukturellt batteri med rekordprestanda

Mer om: Forskningen kring strukturella batterier
Det strukturella batteriet använder kolfiber som negativ elektrod. Som motelektrod används en litiumjärnfosfatbelagd aluminiumfolie. Kolfibern agerar värd för litiumet och lagrar på så sätt energin. Eftersom kolfibern även leder elektronerna minskar behovet av strömtilledare av till exempel koppar eller silver, vilket reducerar vikten ytterligare. Både kolfibern och aluminiumfolien bidrar till det strukturella batteriets mekaniska egenskaper. De två elektrodmaterialen hålls separerade av en glasfiberväv i en strukturell elektrolytmatris. Elektrolytens uppgift är att transportera litiumjonerna mellan batteriets båda elektroder, men att också överföra mekaniska laster mellan kolfiber och övriga delar.

Projektet drivs i samverkan mellan Chalmers och KTH, Sveriges två största tekniska universitet. Batterielektrolyten har utvecklats på KTH. Projektet involverar forskare från fem olika discipliner; materialmekanik, materialteknik, farkostteknik, tillämpad elektrokemi och fiber- och polymerteknik. Finansiering har kommit från EU-kommissionens forskningsprogram Clean Sky II, och US Airforce.