En studie ledd av Chalmers tekniska högskola, Sverige, har visat att kolfibrer kan fungera som batterielektroder, lagra energi direkt. Detta öppnar nya möjligheter för strukturella batterier, där kolfibern blir en del av energisystemet. Användningen av denna typ av multifunktionellt material kan bidra till en betydande viktminskning i framtidens flygplan och fordon – en viktig utmaning för elektrifiering.

Passagerarflygplan behöver vara mycket lättare än de är idag för att kunna drivas med el. En viktminskning är också mycket viktig för fordon för att förlänga körsträckan per batteriladdning.

Leif Asp, Professor i material- och beräkningsmekanik vid Chalmers tekniska högskola, forskar om kolfibers förmåga att utföra fler uppgifter än att bara fungera som ett förstärkningsmaterial. De kan lagra energi, till exempel.

"En bilkaross skulle då inte bara vara ett lastbärande element, men fungerar också som ett batteri, " säger han. "Det kommer också att vara möjligt att använda kolfibern för andra ändamål som att skörda kinetisk energi, för sensorer eller för ledare av både energi och data. Om alla dessa funktioner var en del av en bil- eller flygplanskaross, detta kan minska vikten med upp till 50 procent."

Asp ledde en multidisciplinär grupp av forskare som nyligen publicerade en studie om hur mikrostrukturen hos kolfibrer påverkar deras elektrokemiska egenskaper – det vill säga, deras förmåga att fungera som elektroder i ett litiumjonbatteri. Hittills har detta varit ett outforskat forskningsfält.

Forskarna studerade mikrostrukturen hos olika typer av kommersiellt tillgängliga kolfibrer. De upptäckte att kolfibrer med små och dåligt orienterade kristaller har goda elektrokemiska egenskaper men en lägre styvhet i relativa termer. Om du jämför detta med kolfibrer som har stora, mycket orienterade kristaller, de har större styvhet, men de elektrokemiska egenskaperna är för låga för användning i strukturella batterier.

"Vi vet nu hur multifunktionella kolfibrer ska tillverkas för att uppnå en hög energilagringskapacitet, samtidigt som man säkerställer tillräcklig styvhet, " Asp säger. "En liten minskning av styvheten är inte ett problem för många applikationer som bilar. Marknaden domineras för närvarande av dyra kolfiberkompositer vars styvhet är skräddarsydd för flygplansanvändning. Det finns därför en viss potential här för kolfibertillverkare att utöka sin användning."

I studien hade de typer av kolfiber med goda elektrokemiska egenskaper en något högre styvhet än stål, medan de typer vars elektrokemiska egenskaper var dåliga är drygt dubbelt så stela som stål.

Forskarna samarbetar med både fordons- och flygindustrin. Leif Asp förklarar att för flygindustrin, det kan vara nödvändigt att öka tjockleken på kolfiberkompositer, för att kompensera för den minskade styvheten hos strukturella batterier. Detta skulle, i tur och ordning, också öka sin energilagringskapacitet.

"Nyckeln är att optimera fordon på systemnivå - baserat på vikten, styrka, styvhet och elektrokemiska egenskaper. Det är något av ett nytt sätt att tänka för fordonssektorn, som är mer van vid att optimera enskilda komponenter. Strukturella batterier kanske inte blir lika effektiva som traditionella batterier, men eftersom de har en strukturell lastbärande förmåga, mycket stora vinster kan göras på systemnivå."

Han fortsätter, "Dessutom, den lägre energitätheten hos strukturella batterier skulle göra dem säkrare än standardbatterier, särskilt eftersom de inte heller skulle innehålla några flyktiga ämnen."