Een onderzoek onder leiding van de Chalmers University of Technology, Zweden, heeft aangetoond dat koolstofvezels kunnen werken als batterij-elektroden, direct energie opslaan. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor structurele batterijen, waar de koolstofvezel onderdeel wordt van het energiesysteem. Het gebruik van dit soort multifunctioneel materiaal kan bijdragen aan een aanzienlijke gewichtsvermindering in de vliegtuigen en voertuigen van de toekomst - een belangrijke uitdaging voor elektrificatie.

Passagiersvliegtuigen moeten veel lichter zijn dan tegenwoordig om op elektriciteit te kunnen rijden. Ook voor voertuigen is gewichtsbesparing van groot belang om de rijafstand per acculading te vergroten.

Leif Asp, Hoogleraar materiaal- en computermechanica aan de Chalmers University of Technology, doet onderzoek naar het vermogen van koolstofvezels om meer taken uit te voeren dan alleen als versterkend materiaal te fungeren. Ze kunnen energie opslaan, bijvoorbeeld.

"Een carrosserie zou dan niet zomaar een dragend element zijn, maar fungeren ook als een batterij, "zegt hij. "Het zal ook mogelijk zijn om de koolstofvezel voor andere doeleinden te gebruiken, zoals het oogsten van kinetische energie, voor sensoren of voor geleiders van zowel energie als data. Als al deze functies deel uitmaakten van een auto- of vliegtuigcarrosserie, dit zou het gewicht tot 50 procent kunnen verminderen."

Asp stond aan het hoofd van een multidisciplinaire groep onderzoekers die onlangs een studie publiceerden over hoe de microstructuur van koolstofvezels hun elektrochemische eigenschappen beïnvloedt, dat wil zeggen:hun vermogen om te werken als elektroden in een lithium-ionbatterij. Tot nu toe is dit een onontgonnen onderzoeksgebied.

De onderzoekers bestudeerden de microstructuur van verschillende soorten commercieel verkrijgbare koolstofvezels. Ze ontdekten dat koolstofvezels met kleine en slecht georiënteerde kristallen goede elektrochemische eigenschappen hebben, maar relatief een lagere stijfheid. Als je dit vergelijkt met koolstofvezels die grote, sterk georiënteerde kristallen, ze hebben een grotere stijfheid, maar de elektrochemische eigenschappen zijn te laag voor gebruik in structurele batterijen.

"We weten nu hoe multifunctionele koolstofvezels moeten worden vervaardigd om een ​​hoge energieopslagcapaciteit te bereiken, terwijl ook voldoende stijfheid wordt gegarandeerd, Asp zegt. "Een lichte vermindering van de stijfheid is voor veel toepassingen zoals auto's geen probleem. De markt wordt momenteel gedomineerd door dure koolstofvezelcomposieten waarvan de stijfheid is afgestemd op gebruik in vliegtuigen. Er is hier dus enig potentieel voor koolstofvezelfabrikanten om hun gebruik uit te breiden."

In het onderzoek hadden de soorten koolstofvezel met goede elektrochemische eigenschappen een iets hogere stijfheid dan staal, terwijl de typen met slechte elektrochemische eigenschappen iets meer dan twee keer zo stijf zijn als staal.

De onderzoekers werken samen met zowel de auto- als de luchtvaartindustrie. Leif Asp legt uit dat voor de luchtvaartindustrie, het kan nodig zijn om de dikte van koolstofvezelcomposieten te vergroten, om de verminderde stijfheid van structurele batterijen te compenseren. Dit zou, beurtelings, ook hun energieopslagcapaciteit vergroten.

"De sleutel is om voertuigen op systeemniveau te optimaliseren - op basis van het gewicht, kracht, stijfheid en elektrochemische eigenschappen. Dat is iets van een nieuwe manier van denken voor de automobielsector, die meer gewend is aan het optimaliseren van individuele componenten. Structurele batterijen worden misschien niet zo efficiënt als traditionele batterijen, maar omdat ze een structureel draagvermogen hebben, op systeemniveau zijn zeer grote winsten te behalen."

Hij gaat door, "In aanvulling, de lagere energiedichtheid van structurele batterijen zou ze veiliger maken dan standaardbatterijen, vooral omdat ze ook geen vluchtige stoffen zouden bevatten."