Serat karbon terutamanya digunakan untuk berat ringan, dan berharga untuk kekuatan dan kekakuannya. Tetapi apabila Leif Asp melihat bahan itu, dia melihat peluang untuk membuatnya melakukan tugas ganda dengan cara yang dapat meningkatkan kecekapan kereta dan kapal terbang secara drastik.
"Bateri itu adalah parasit struktur, " kata jurutera dan profesor di Chalmers University of Technology di Sweden, yang bermaksud ia menambah berat badan dan meningkatkan kecekapan, tanpa menyumbang kepada kekuatan dan struktur fizikal kereta itu. Tetapi bagaimana jika kenderaan dibina daripada bateri?
Di situlah Asp benar-benar pergi dengan teknologi ini. Dia mahu melihat kereta, kapal terbang, bot, malah smartwatches dan elektronik pengguna lain yang diperbuat daripada bahan yang bertindak sebagai badan dan sumber tenaga-sesuatu yang dikenali sebagai "bateri struktur." Sebuah kereta yang menggabungkan bateri struktur boleh menimbang sehingga 50 peratus kurang daripada EV biasa yang mempunyai bateri litium berat yang dibungkus di bawahnya, kata Asp.
Ia bukan berita bahawa serat karbon mempunyai sifat elektrokimia. Seperti grafit, bahan itu, dalam konfigurasi tertentu, mampu mengalir. Penyelidik dari Universiti Teknologi Chalmers telah memohon paten AS pada bateri yang diperbuat daripada serat karbon, tetapi sebenarnya membawa satu ke pasaran telah terbukti sukar untuk bilangan kecil orang yang mempelajari idea itu. Penyelidikan baru dari pasukan Asp telah mengenalpasti aspek tertentu bahan yang menjadikan potensi penggunaannya sebagai bateri struktur jauh lebih realistik.
Leif Asp dengan benang benang karbon serat (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Semua karbon tidak dicipta sama, bagaimanapun, dan jenis karbon yang berbeza mempunyai ciri-ciri yang berbeza yang menjadikannya sesuai untuk kegunaan yang berbeza. Matlamat Asp adalah untuk memahami apa yang berlaku bagaimana, dan mengapa, dan menggunakannya untuk aplikasi struktur.
"Serat karbon yang terdapat di pasaran, mereka telah dibuat untuk aplikasi struktur atau dibuat untuk aplikasi elektrik, " katanya. Aplikasi struktur adalah yang paling kami kenal, dari karbon yang membentuk basikal dan lain-lain produk yang kuat dan ringan, tetapi komponen elektrik kadang-kadang terbuat dari bahan juga, walaupun jenis yang berbeza. Dia percaya terdapat karbon yang boleh melakukan kedua-duanya.
Dalam penyelidikan terkini mereka, Asp dan kolaboratornya membandingkan tiga komposit dan memeriksa mereka melalui mikroskop elektron dan spektroskopi laser. Mereka membina serat ke dalam bateri, memandang saiz dan orientasi kristal atom karbon yang terikat di dalamnya, dan membandingkan kekukuhan, kekuatan dan sifat elektrokimia bahan-bahan yang berlainan. Kristal yang lebih kecil, dengan struktur yang lebih tidak disengajakan, cenderung untuk menjadi lebih elektrokimia reaktif - iaitu, mereka lebih mampu mengambil, menyimpan dan melepaskan elektron, dan dengan itu bertindak sebagai bateri. Walau bagaimanapun, jenis karbon kurang sengit daripada yang mempunyai kristal yang lebih panjang dan berbaris. (Sama ada, mereka sangat kecil; Asp membandingkan serat dengan kristal dari 18 hingga 28 angstroms kepada kristal dari 100 hingga 300 angstroms, dan angstrom adalah satu sepuluh bilion meter.)
Visi penyelidik adalah kenderaan di mana sebahagian besar badan kereta atau pesawat terbang terdiri daripada bateri lithium ion struktur. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) Menggunakan serat karbon yang mengorbankan kekukuhan untuk mencapai kekonduksian yang lebih baik mungkin tidak menjadi masalah, kerana bahan itu masih lebih berat daripada keluli, dan mampu membawa beban struktur. Ia juga tidak akan dikenakan bayaran dengan cekap seperti bateri tradisional, tetapi jika kebanyakan kereta itu terdiri daripada barang-barang itu, ia tidak perlu kerana kecekapan keseluruhannya akan terus meningkat. Rakan kongsi industri seperti Airbus, yang telah bekerjasama dengan Asp sejak tahun 2015, merujuknya sebagai "penyimpanan tenaga yang tidak banyak".
Namun, teknologi itu jauh dari praktikal - berpotensi dekad, kata Adrian Mouritz, dekan eksekutif sekolah kejuruteraan di RMIT University di Melbourne. Mouritz juga berfungsi pada penyimpanan tenaga struktur menggunakan serat karbon, tetapi kerja-kerjanya membenamkan bateri lithium ion dalam karbohidrat karbon, membantu membawa beberapa beban struktur dan mengurangkan berat bateri mati, walaupun tidak begitu banyak sebagai versi Asp.
"Pendekatan yang kita ambil, bahan komposit sudah terbukti, bateri itu sendiri sudah terbukti. Apa yang kita cuba buktikan ialah pengintegrasian bateri ke dalam komposit, yang merupakan langkah yang lebih kecil untuk diambil, "kata Mouritz. "Leif adalah ... lebih rumit daripada segi teknikal, tetapi manfaatnya dalam jangka panjang akan menjadi lebih kuat. Ia masih memerlukan lebih banyak penyelidikan dan pembangunan untuk mengoptimumkan bahan dan reka bentuk sistem sebenar. "
Asp dan makmalnya berusaha untuk menjadikannya lebih sihat. Penyelidikan awal (2014 dan sebelum) serat karbon diubahsuai, memperkenalkan sarung elektrolit polimer berlapis yang membantu penyimpanan gentian dan ion pelepasan dengan lebih cekap, dengan cara yang sama bahawa bateri lithium ion menggunakan elektrolit yang campur tangan.
"Untuk ini terbang, tentu saja, sudah lama, " kata Asp. Dia bekerja dengan Airbus untuk menghasilkan demo, untuk dibebaskan tahun depan, yang menggantikan lampu dalaman dan kabel dengan serat karbon struktur. Walaupun penjimatan yang lebih besar dapat menghapuskan keperluan untuk bahan bakar, yang mana Mouritz mengatakan akaun untuk satu pertiga atau lebih daripada anggaran operasi syarikat penerbangan, demo Airbus akan menjadi ilustrasi yang teknologi itu berdaya maju.
Mouritz melihat teknologi yang digunakan untuk autos mewah dan racecars Formula 1 pertama, dan penggunaan luas di pasaran pengguna apabila harga turun dan kebolehpercayaannya disahkan. "Sekiranya anda dapat ringan pesawat anda, jika anda dapat ringan kereta anda, penjimatan kos bersih sebenar ini adalah beratus juta jika tidak dalam berbilion-bilion dolar, " katanya.
"Perkara lain, tentu saja, " tambah Mourtiz, "jika saya mengurangkan bahan bakar saya, saya sebenarnya mengurangkan pelepasan gas rumah hijau saya."
