EVs verbeteren: Lichte composieten voor structurele batterijen

Een van de problemen waar ingenieurs die elektrische voertuigen (EVs) ontwikkelen mee te maken hebben, is de massa van de benodigde batterijen om de motoren van stroom te voorzien. De batterijen zijn zwaar. Dit betekent dat om bereik te krijgen — een van de meest gevraagde kenmerken voor een EV — er voldoende batterijcapaciteit moet zijn... maar dit wordt een soort kwaai cirkel want meer batterij betekent meer massa en meer massa betekent verminderd bereik.

Onderzoekers aan de Chalmers University of Technology in Zweden hebben een batterij ontwikkeld die een oplossing voor dit probleem kan zijn want het slaat niet alleen energie op (24 watt-uur per kilogram), maar biedt ook structurele ondersteuning, met een stijfheid van 25 GPa.

Leif Asp, professor bij Chalmers en leider van het onderzoeksproject, dat in samenwerking loopt met het KTH Royal Institute of Technology (Stockholm, Zweden), zei: “Eerdere pogingen om structurele batterijen te maken resulteerden in cellen met ofwel goede mechanische eigenschappen, ofwel goede elektrische eigenschappen. Maar hier, door koolstofvezel te gebruiken, zijn we geslaagd in het ontwerpen van een structurele batterij met zowel competitieve energielopslagcapaciteit als rigiditeit.”

In een paper in Advanced Energy and Sustainability Research (vol. 2, issue 3), beschrijven Asp en zijn co-auteurs de batterij:

“Het structurele batterijcomposiet bestaat uit een CF [koolstofvezel] negatieve elektrode en een aluminium-film-ondersteunde positieve elektrode gescheiden door een GF [glasvezel) scheider in een SBE [structurele batterij-elektrolyt] matrixmateriaal. Gevolgd fungeren de CF's als gastheer voor Li (d.w.z. actief elektrodemateriaal), geleiden elektronen en versterken het materiaal. Op dezelfde manier biedt de positieve elektrode-folia gecombineerde mechanische en elektrische functionaliteit. De SBE faciliteert Li-iontransport en overdraagt mechanische belasting tussen vezels, deeltjes en lagen. Twee typen GF-stof scheiders, een Whatman GF/A en een GF-plain weave, worden als modelmaterialen gebruikt om de effecten van scheiderdikte en -architectuur, alsook materiaalanisotropie, op de multifunctionele prestaties te onderzoeken.”

Op dit moment werken ze aan een nieuwe structurele batterij met de aluminium-film vervangen door koolstofvezel en het gebruik van een dunner glasvezel-scheider.

Asp zei dat hij verwacht dat verder onderzoek zal resulteren in een batterij die een energiedichtheid heeft van 75 watt-uur per kilogram en een stijfheid van 75 GPa.

“Als je kijkt naar consumententechnologie,” zei Asp, “kun het best mogelijk zijn binnen een paar jaar om smartphones, laptops of elektrische fietsen te produceren die half zoveel wegen als vandaag en veel compactER zijn.”