スウェーデンのチャルマーズ工科大学の研究グループは現在、いわゆる質量のないエネルギー貯蔵における世界をリードする進歩を発表している。これはラップトップの重量を半分にし、携帯電話をクレジットカードと同じくらい薄くすることができる構造バッテリーである。1 回の充電で電気自動車の航続距離を最大 70% 延長します。

「私たちは、炭素繊維アルミニウムと同じくらい硬く、商業的に使用できるほどエネルギー密度の高い複合材料です。まるで人間の骨格、バッテリーは同時にいくつかの機能を持っています」と、最近の論文の筆頭著者であるチャルマーズの研究者リチャ・チョーダリー氏は言います出版されたで先端材料。

構造電池の研究は、チャルマーズ社で長年にわたって行われており、一部の段階では、スウェーデンのストックホルムにある KTH 王立工科大学の研究者とも協力しています。リーフ・アスプ教授とその同僚たちが2018年に最初の結果を発表硬くて強力な炭素繊維が電気エネルギーを化学的に蓄えることができるかどうかについて、この進歩は大きな注目を集めました。

炭素繊維が電極として機能するというニュースリチウムイオン電池この成果は広く普及し、この成果は Physics World によってその年の 10 大ブレークスルーの 1 つにランクされました。

軽量化により必要なエネルギーが少なくなる

それ以来、研究グループは剛性とエネルギー密度の両方を高めるというコンセプトをさらに発展させてきました。前回のマイルストーンは 2021 年に達成されましたこのバッテリーのエネルギー密度は 24 ワット時/キログラム (Wh/kg) で、これは同等のリチウムイオンバッテリーの約 20% の容量を意味します。

今では30Wh/kgまで上がっています。これは今日のバッテリーよりもまだ低いですが、状況はまったく異なります。バッテリーが構造の一部であり、軽量の素材で作られている場合、車両の総重量は大幅に軽減されます。そうすれば、たとえば電気自動車を動かすのに必要なエネルギーはそれほど多くなくなります。

「エネルギーを節約し、将来の世代のことを考えるのであれば、軽量でエネルギー効率の高い車両に投資するのは当然のことです。私たちが電気自動車について計算したところ、電気自動車が電気自動車を使用すれば、現在よりも最大 70% 長く走行できることがわかりました。」は競争力のある構造電池を持っていました」と研究リーダーであり、チャーマーズ大学産業材料科学部の教授であるリーフ・アスプ氏は述べています。

もちろん、車両に関しては、安全要件を満たすのに十分な強度を備えた設計が求められます。そこで、研究チームの構造電池セルの剛性、より具体的には、ギガパスカル (GPa) で測定される弾性率が 25 から 70 に大幅に増加しました。これは、材料がアルミニウムと同様に荷重に耐えることができることを意味します。ただし重量は軽いです。

2007 年から構造電池を研究している Leif Asp 氏は、「多機能特性という点では、新しい電池は以前の電池の 2 倍優れており、実際、これまでに世界で製造された電池の中で最高のものです」と述べています。

商業化に向けたいくつかのステップ

当初から商用化が可能な性能を達成することが目標でした。研究が現在も継続しているという事実と並行して、スウェーデンのボロスに本拠を置き、新しく設立されたチャルマーズ ベンチャー企業 Sinonus AB を通じて、市場とのつながりが強化されました。

しかし、バッテリーセルが実験室での小規模製造からテクノロジーガジェットや車両用の大規模生産に移行するまでには、やるべきエンジニアリング作業がまだたくさんあります。

「それは想像できるだろうクレジットカード- 現在の半分の重さの薄型携帯電話やラップトップは、時代的には最も近いものです。また、車や飛行機の電子機器などの部品が構造用バッテリーから電力を供給されている可能性もあります。輸送業界の困難なエネルギー需要を満たすには多額の投資が必要ですが、この技術が最も大きな違いを生む可能性がある分野でもあります」と、自動車業界や航空宇宙業界からの多大な関心を認識しているリーフ・アスプ氏は述べています。

研究と構造電池の詳細

構造電池は、エネルギーを貯蔵するだけでなく、負荷を運ぶことができる材料です。このようにして、バッテリー材料を製品の実際の構成材料の一部にすることができます。これは、たとえば、電気自動車、ドローン、手持ち工具、ラップトップ、携帯電話などで大幅な軽量化を実現できることを意味します。

この分野の最新の進歩は、記事「多機能炭素繊維構造電池の発表」に掲載されており、著者はチャルマーズ工科大学の Richa Chaudhary、Johanna Xu、Zhenyuan Xia、Leif Asp です。

開発された電池コンセプトは複合材料に基づいており、正極と負極の両方に炭素繊維が使用されており、正極はリン酸鉄リチウムでコーティングされています。以前の電池コンセプトが発表されたとき、正極の芯はアルミニウム箔でできていました。

電極材料に使用されている炭素繊維は多機能です。アノードでは、集電体および活物質としてだけでなく、補強材としても機能します。カソードでは、それは補強材、集電体、そしてリチウムを構築するための足場として機能します。

カーボンファイバーが電子流を伝導するため、銅やアルミニウムなどで作られた集電体の必要性が減り、全体の重量がさらに軽減されます。また、選択された電極設計には、コバルトやマンガンなどのいわゆる紛争金属も必要ありません。

バッテリー内では、リチウムイオンは液体電解質ではなく半固体電解質を介してバッテリー端子間を輸送されます。これは、リチウムイオンの輸送が困難であるためです。ハイパワーそしてこれにはさらなる研究が必要です。同時に、この設計は火災の危険性を軽減することで、バッテリーセルの安全性の向上にも貢献します。