Straipsniai

2018-11-06

Švedai atrado naujas anglies pluošto savybes – jau dabar bene visas automobilis gali tapti baterija

Anglies pluoštas yra viena įspūdingiausių medžiagų, kuri pasižymi neįtikėtinu lengvumu bei stiprumu. Todėl anglies anglies pluoštas yra naudojamas nuo dviračių iki pačių pažangiausių automobilių ir orlaivių gamybos. Bet ar anglies pluoštas galėtų duoti dar daugiau naudos ir atlikti svarbų vaidmenį saugant energiją? Viena mokslininkų grupė ištyrė tokias anglies pluošto galimybes ir teigia, kad kruopščiai parinktos medžiagos formos iš tiesų pasižymėti reikiamomis elektrocheminėmis savybėmis ir praktiškai visas automobilis taptų baterija.

Tyrimas buvo atliktas Švedijos Chalmerso technologijų universitete ir viskas prasidėjo nuo gana paprastos prielaidos. Anglies pluošto mechaninės savybės jau yra gerai žinomos, o ir jo panaudojimas, kaip elektrodų medžiaga, eksperimentinėse baterijose demonstruoja gerą potencialą. Tai kodėl nesujungus šių dviejų savybių į vieną?

Konstrukciniams tikslams naudojamas anglies pluoštas dažniausiai būna gaminamas taip, kad būtų kuo stipresnis ir nekreipiama daug dėmesio į elektrochemines savybes.

Tačiau yra aišku, kad anglies pluoštas, turintis geras elektrochemines savybes, paprastai pasižymi gerokai žemesniais tvirtumo parametrais.

Tad tai buvo neištirta mokslininkų sritis ir tyrėjai siekė surasti anglies pluoštą, kuris tenkintų abi sąlygas. Tai reiškia, kad reikėjo tirti įvairių rūšių komerciniu požiūriu prieinamų anglies pluoštų mikrostruktūras ir žiūrėti, kaip medžiagų kristalai (dalelės) yra išsidėstę ir kokio yra dydžio.

Tyrėjai nustatė, kad didesnio kietumo anglies pluošto kristalai yra didesni ir labiau orientuoti, o mažesnio kietumo anglies pluošto kristalai atvirkščiai – mažesni ir prasčiau orientuoti.

Pasak mokslininkų, šios naujos žinios suteiks pagrindą atsirasti anglies pluoštui, patenkančiam į šią siaurą sritį, kurioje užtikrinamos naudingos elektrocheminės savybės ir išlaikomas būtinas medžiagos tvirtumas. Ir kaip teigia tyrimo autorius Leifas Aspas, jau dabar galima padaryti šią medžiagą komerciškai labai patrauklia.

„Dabar mes žinome, kaip daugiafunkciniai anglies pluoštai turėtų būti pagaminti, kad būtų pasiektas didelis energijos saugojimo pajėgumas, kartu užtikrinant medžiagos tvirtumą“, - teigia Aspas. „Nedidelis medžiagos tvirtumo sumažėjimas, daugelyje sričių, pavyzdžiui automobiliuose, nėra didelė problema. Šiuo metu dominuoja brangūs anglies pluošto kompozitai, kurių tvirtumas yra pritaikytas orlaivių naudojimui. Todėl anglies pluošto gamintojams dar yra keletas galimybių, kaip išplėsti anglies pluošto panaudojimą.“

Kadangi medžiagos svoris yra toks kritiškai svarbus automobilių gamyboje – ypač dėl degalų sunaudojimo efektyvumo – mokslininkai jau turi minčių, kaip naujoji medžiaga galėtų tapti energetikos sistemos dalimi. Tyrėjai jau dirba su automobilių ir aviacijos pramonių šakos atstovais, kad ištirtų šių „struktūrinių baterijų“ galimybes.

Tyrėjai siekia, kad didelę dalį automobilių kėbulų ir lėktuvų fiuzeliažų sudarytų struktūrinės ličio jonų baterijos. Daugiafunkcinis anglies pluoštas veiktų, kaip baterijų elektrodai ir tuo pačiu būtų korpuso dalis, kaip kad yra iki šiol

„Automobilio kėbulo korpusas nebūtų paprastas ir neatsiejamas elementas, bet veiktų kaip baterija“, - sako Aspas. „Be to, anglies pluoštą bus įmanoma panaudoti ir kitiems tikslams, kaip: kinetinės energijos surinkimui, jutikliams ar energijos ir duomenų laidininkams. Jei visos šios funkcijos būtų automobilių ir orlaivių korpusuose, tai galėtų jų svorį sumažinti iki 50 %.”

Aspas teigia, kad „svarbiausia yra optimizuoti transporto priemones sistemos lygyje – atsižvelgiant į svorį, stiprumą, tvirtumą ir elektrochemines savybes. Tai yra visiškai naujas požiūris į automobilių sektorių, kuriame dažniausiai stengiamasi optimizuoti konkrečius komponentus. Struktūrinės baterijos galbūt ir netaps tokiomis efektyviomis, kaip įprastos baterijos, bet jos gali tapti bendros sistemos dalimi ir duoti didelę naudą. Be to, struktūrinės baterijos būtų mažesnio energijos tankio, todėl jos būtų saugesnės už standartines baterijas ir neišskirtų lakiųjų medžiagų.“

Tyrimo rezultatai buvo paskelbti moksliniame žurnale „Multifunkcional Materials“.