Kredit:CC0 Public Domain
Liksom den laddade powerdräkten som bärs av Black Panther från Marvel Comics, har UCF-forskare avancerad NASA-teknik för att utveckla en kraftdräkt för en elbil som är lika stark som stål, lättare än aluminium och hjälper till att öka fordonets kraftkapacitet.
Dräkten är gjord av skiktat kolkompositmaterial som fungerar som en energilagrande superkondensator-batterihybridenhet på grund av sin unika design på nanoskalanivå.
Utvecklingen dök upp nyligen som omslagsartikel i tidskriften Small och kan ha tillämpningar inom en rad tekniker som kräver lätta kraftkällor, från elfordon till rymdfarkoster, flygplan, drönare, bärbara enheter och bärbar teknik.
"Vår idé är att använda kroppsskalen för att lagra energi för att komplettera kraften som lagras i batterier", säger studiens medförfattare Jayan Thomas, teamledare och professor vid UCF:s NanoScience Technology Center och Department of Materials Science and Engineering.
"Fördelen är att denna komposit kan minska vikten på din bil och öka milen per laddning", säger han. "Den är lika stark som eller till och med starkare än stål men mycket lättare."
Materialet, när det används som bilkaross, kan öka en elbils räckvidd med 25 %, vilket innebär att ett fordon på 200 miles per laddning kan åka ytterligare 50 miles och minska dess totala vikt.
Som en superkondensator skulle den också öka en elbils kraft, vilket ger den den extra push den behöver för att gå från noll till 60 mph på 3 sekunder.
"Den här applikationen, liksom många andra, kan vara vid horisonten en dag när tekniken går framåt i sin beredskapsnivå", säger Luke Roberson, medförfattare till studien och en senior huvudutredare för forskning och utveckling vid NASA:s Kennedy Space Center.
Dessa material kan användas som ramar för kubsatelliter, strukturer på andra miljöer eller till och med som en del av futuristiska glasögon, som mixed- och virtual reality-headset.
"Det finns massor av potentiella infusionspunkter inom ekonomin såväl som för framtida rymdutforskning," säger Roberson. "Detta är, i mina ögon, ett enormt framsteg av den tekniska beredskapsnivån för att ta oss dit vi behöver vara för NASA-uppdragsinfusion."
På bilar skulle superkondensatorkompositmaterialet få sin kraft genom laddning, som ett batteri, såväl som när bilen bromsar, säger Thomas.
"Dess livslängd för laddning och urladdning är 10 gånger längre än ett elbilsbatteri", säger han.
Materialen som används är också giftfria och brandfarliga, vilket är mycket viktigt för passagerarnas säkerhet i händelse av en olycka, säger han.
"Detta är en enorm förbättring jämfört med tidigare tillvägagångssätt som har drabbats av problem med giftigt material, brandfarliga organiska elektrolyter, låga livscykler eller dålig prestanda", säger Thomas.
Tack vare sin unika design som använder flera lager av kolfiber har materialet betydande slag- och böjhållfasthet, som är avgörande för att motstå en automatisk kollision, samt betydande draghållfasthet.
För att konstruera materialet skapade forskarna positivt och negativt laddade kolfiberlager, som när de staplas och fästs i ett alternerande mönster skapar en stark, energilagrande komposit.
Nanoskala grafenskivor fästa på kolfiberskikten möjliggör ökad laddningslagringsförmåga, medan metalloxider avsatta på fästa elektroder förbättrar spänningen och ger högre energitäthet. Detta ger superkondensator-batterihybriden sin oöverträffade energilagringsförmåga och laddningslivscykel, säger Thomas.
Deepak Pandey, studiens huvudförfattare och doktorand i Thomas labb, arbetade med att forma, forma och optimera kompositen, samt utveckla metoden för att tillsätta metalloxider till kolgrafenremsorna.
Studiens medförfattare Kowsik Sambath Kumar, en doktorand i Thomas labb, utvecklade ett sätt att vertikalt anpassa grafen i nanoskala på kolfiberelektroder.
Kumar säger att en av de viktigaste utvecklingarna från denna superkondensatorkomposit är att den är lätt.
"Nu i elbilar är batteriet 30% till 40% av vikten", säger han. "Med denna energilagrande komposit kan vi få ytterligare körsträcka utan att öka batterivikten, ytterligare minskar det fordonets vikt, samtidigt som den bibehåller hög draghållfasthet, böjnings- och slaghållfasthet. Närhelst du minskar den vikten kan du öka räckvidden, så detta har enorma tillämpningar inom elbilar och flyg."
Pandey håller med och lyfter fram dess användbarhet för rymdsektorn.
"Att göra en kubisk satellit av denna komposit kommer att göra satelliten lätt i vikt och kommer att hjälpa till att eliminera det tunga batteripaketet", säger han. "Detta kan spara tusentals dollar per uppskjutning. Dessutom kan fri volym som erhålls genom att ta bort stora batterier hjälpa till att packa in fler sensorer och testutrustning, vilket ökar satellitens funktionalitet", säger Pandey. "Hybridbeteende med superkondensator och batteri är idealiskt för cubesats eftersom det kan laddas på några minuter när en satellit kretsar över den solupplysta sidan av jorden.
Roberson säger att tekniken för närvarande är på en teknikberedskapsnivå på fem, vilket innebär att den har testats i en relevant miljö innan den övergår till att testas i en verklig miljö, till exempel på en rymdfärd, vilket skulle vara nivå sex-testning.
För att klara den sista testnivån, nivå nio, och nå den kommersiella miljön kommer det att krävas ytterligare utveckling och testning fokuserad på kommersiella applikationer, säger han. + Utforska vidare
