Süsinikkiudu kasutatakse peamiselt selle kerge massi tõttu ning see on hinnatud oma tugevuse ja jäikuse tõttu. Kuid kui Leif Asp materjali vaatab, näeb ta võimalust muuta see kahekordseks kohustuseks viisil, mis võib autode ja lennukite tõhusust märkimisväärselt parandada.
"Aku on strukturaalne parasiit, " ütleb Rootsi Chalmersi tehnikaülikooli insener ja professor, mis tähendab, et see lisab kaalu ja vähendab tõhusust, ilma et see aitaks kaasa selle töötava auto füüsilisele tugevusele ja struktuurile. Aga mis siis, kui sõidukid oleks ehitatud akudest?
Asp kavatseb selle tehnoloogiaga tegelikult edasi minna. Ta soovib näha autosid, lennukeid, paate, isegi nutikellake ja muud tarbeelektroonikat, mis on valmistatud materjalist, mis toimib nii kere kui ka energiaallikana - mida tuntakse kui „struktuuriakut”. Konstruktsioonipatareidega auto võib kaaluda kuni 50 Protsenti vähem kui tavalisel EV-l, mille all on pakitud raskeid liitiumioonakusid, kirjutab Asp.
Pole uudis, et süsinikkiul on elektrokeemilised omadused. Nagu grafiit, on ka materjal teatud konfiguratsioonides juhtivusvõimeline. Chalmersi tehnikaülikooli teadlased on taotlenud USA patendit süsinikkiust valmistatud aku jaoks, kuid selle turule toomine on väikest ideed uurinud inimeste jaoks keeruline. Aspi meeskonna uus uuring on tuvastanud materjali konkreetse aspekti, mis muudab selle potentsiaalse kasutamise struktuuripatareidena palju realistlikumaks.
Leif Asp süsinikkiudlõnga kerjaga (Johan Bodell, Chalmersi tehnikaülikool) Kogu süsinik ei ole siiski võrdne ja erinevat tüüpi süsinikul on erinevad omadused, mis muudab selle kasutatavaks erinevatel eesmärkidel. Aspi eesmärk on mõista, kuidas ja miks käitutakse, ning rakendada seda struktuurirakendustes.
"Süsinikkiud, mis on turul saadaval, on valmistatud struktuuri- või elektrirakenduste jaoks, " ütleb ta. Jalgrataste ja muude tugevate, kergete toodete valmistamiseks kasutatavast süsinikust, mis on meile kõige tuttavam, on ehituslikud rakendused, kuid ka elektrilised komponendid on mõnikord valmistatud materjalist, ehkki erinevat tüüpi. Ta usub, et seal on süsinikku, mis suudab teha mõlemat.
Oma viimases uurimistöös võrdlesid Asp ja tema kaastöötajad kolme komposiiti ja uurisid neid elektronmikroskoopia ja laserspektroskoopia abil. Nad ehitasid kiud patareideks, vaatlesid neis ühendatud süsinikuaatomite kristallide suurust ja suunda ning võrdlesid erinevate materjalide jäikust, tugevust ja elektrokeemilisi omadusi. Väiksemad, deformeerunud struktuuriga kristallid on enamasti elektrokeemiliselt reageerivad - see tähendab, et nad on võimelised elektronid paremini vastu võtma, neid hoiustama ja vabastama ning toimivad seega akudena. Kuid seda tüüpi süsinikud on vähem jäigad kui need, mille kristallid on pikemad ja rivistatud. (Mõlemal juhul on nad väga väikesed; Asp võrdles kiudu kristallidega 18–28 angstromi ja kristallidega 100–300 angströmi ja angstrom on üks kümme miljardit meetrit.)
Teadlaste nägemus on sõidukitest, kus suur osa autokere või lennuki keredest koosneb liitiumioonakudest. (Yen Strandqvist, Chalmersi tehnikaülikool) Süsinikkiu kasutamine, mis ohustab parema juhtivuse saavutamiseks teatud jäikust, ei pruugi olla probleem, kuna materjal oli terasest siiski jäigem ja konstruktsioonikoormust taluv. Samuti ei pea see laadimist nii tõhusalt kui traditsioonilised akud, kuid kui suurem osa autost koosneb asjadest, ei pea see seda tegema, kuna üldine kasutegur suureneb siiski märkimisväärselt. Tööstuspartnerid, nagu näiteks Airbus, kes on Aspiga töötanud alates 2015. aastast, nimetavad seda energiata energiasalvestuseks.
Selle tehnoloogia on praktilisest kasutamisest veel kaugel - potentsiaalselt aastakümneid, ütles Adrian Mouritz, Melbourne'is asuva RMIT ülikooli insenerikooli dekaan. Mouritz tegeleb ka struktuurilise energia salvestamisega, kasutades süsinikkiudu, kuid tema töösse kinnitatakse liitiumioonakud süsiniku võileibadesse, aidates kanda osa konstruktsioonikoormusest ja vähendades akude tühimassi, ehkki mitte nii ulatuslikult kui Aspi versioon.
„Meie lähenemisviis on komposiitmaterjal juba tõestatud, aku ise on juba tõestatud. Ainus, mida proovime tõestada, on aku integreerimine kompositsiooni, mis on palju väiksem samm, “- ütleb Mouritz. “Leifi oma on… tehniliselt keerukam, kuid pikemas perspektiivis on selle eelised tugevamad. Reaalse süsteemi materjalide ja kujunduse optimeerimiseks on vaja veel palju uurimist ja arendamist. ”
Asp ja tema labor töötavad selle nimel, et see oleks juba elujõuline. Varased uuringud (2014 ja varasemad) modifitseeritud süsinikkiud, tutvustades lamineeritud polümeer-elektrolüütide kesta, mis aitab kiudainetel ione tõhusamalt säilitada ja vabastada, samal viisil, kui liitiumioonaku kasutab sekkuvat elektrolüüti.
“Selleks, et see lendaks, oleks muidugi pikk aeg ära, ” ütleb Asp. Ta töötab koos Airbusiga järgmisel aastal välja lastava demo tootmiseks, mis asendab sisevalgustid ja kaablid struktuurilise süsinikkiuga. Ehkki suurem kaalu kokkuhoid võiks olla kütusevajaduse kaotamine, mis Mouritzi sõnul moodustab vähemalt kolmandiku lennuettevõtte tegevuseelarvest, on Airbusi demo näide selle tehnoloogia elujõulisusest.
Mouritz näeb tehnoloogiat kõigepealt luksusautode ja Vormel 1 võidusõiduautode jaoks ning laialdast kasutuselevõttu tarbijaturul, kui hind on alanenud ja töökindlus on kinnitatud. "Kui saate oma lennukit kergeks, kui ka autot kergeks, on selle tegelik puhaskulude kokkuhoid sadades miljonites, kui mitte miljardites dollarites, " ütleb ta.
"Muidugi, " lisab Mourtiz, "kui vähendan oma kütusekulu, vähendan tegelikult kasvuhoonegaaside heitkoguseid."
