Štrukturálne batérie umožnia konštrukciu áut, lietadiel či notebookov výrazne ľahších a energeticky úspornejších

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Vedci vytvorili štrukturálnu batériu desaťkrát lepšiu než predtým.

• Batéria má hustotu 24 Wh/kg a tuhosť 25 gigapascalov.

• Ďalšia generácia cieli na 75 Wh/kg a 75 gigapascalov.

Batéria, ktorá je zároveň nosným prvkom konštrukcie, znie ako paradox. Presne to však dosiahli vedci zo švédskych univerzít Chalmers a KTH, keď predstavili nový typ štrukturálnej batérie. Zariadenie dokáže súčasne niesť mechanické zaťaženie a ukladať elektrickú energiu, takže časť hmotnosti „nádrže“ s energiou sa akoby stratí.

Klasické batérie v elektromobiloch, laptopoch či telefónoch tvoria výraznú časť hmotnosti, ale nič nekonštruujú. Karoséria auta musí byť navrhnutá tak, aby niesla ťažký batériový blok a zároveň spĺňala bezpečnostné normy, takže veľa materiálu je tam len preto, aby držal batériu. Ak by sa podarilo spojiť batériu a konštrukciu do jedného materiálu, veľká časť tejto „mŕtvej“ hmotnosti by zmizla.

Nová štrukturálna batéria je tenký plochý článok, ktorý pripomína kompozitný panel. Výskumníci vložili medzi kladnú a zápornú elektródu sklenenú tkaninu, následne celý „sendvič“ napustili polymérnym elektrolytom a vytvrdili v peci.

Výsledkom je pevný materiál, ktorý sa dá mechanicky testovať podobne ako iné konštrukčné kompozity, ale zároveň funguje ako nabíjateľná batéria. Kľúčové parametre zverejnené v štúdii sú dve čísla: energetická hustota 24 watt-hodín na kilogram a elastický modul 25 gigapascalov.

Energetická hustota je približne pätinová oproti bežným lítium-iónovým batériám, no zároveň ide o materiál, ktorý dokáže niesť záťaž podobne ako niektoré používané konštrukčné materiály. Tuhosť 25 gigapascalov znamená, že batéria sa správa skôr ako kovový než ako plastový diel.

Zásadné je, že ide o multifunkčný výkon, ktorý je približne desaťkrát lepší než pri predchádzajúcich prototypoch štrukturálnych batérií. V minulosti podobné koncepty vždy narážali na kompromis – buď bola batéria pevná, alebo dobre ukladala energiu, ale nie oboje.

Nový dizajn prvýkrát prináša konkurencieschopnú kombináciu mechanických aj elektrických vlastností v jednom materiáli. Samotná architektúra článku je elegantná. Zápornú elektródu tvorí uhlíkové vlákno, ktoré slúži zároveň ako výstuž a vodič, čím znižuje počet vrstiev.

Kladná elektróda je z hliníkovej fólie pokrytej katódovým materiálom na báze fosforečnanu lítno-železnatého, oddelená sklenenou textíliou a špeciálnym polymérnym elektrolytom. Vďaka tomu sa celý článok správa ako homogénny kompozit.

Pri ťahových testoch dosahuje pevnosť nad 300 megapascalov, čo je hodnota porovnateľná s niektorými kovovými dielmi v automobiloch. Zároveň dokáže opakovane nabíjať a vybíjať, hoci zatiaľ nejde o batériu optimalizovanú na maximálnu kapacitu, počet cyklov či rýchlosť nabíjania.

Vedci už načrtli plán ďalšieho zlepšenia. Ak nahradia hliníkovú fóliu v kladnej elektróde uhlíkovým vláknom a zmenšia hrúbku skleneného separátora, odhadujú potenciál dosiahnuť približne 75 watt-hodín na kilogram a tuhosť okolo 75 gigapascalov. Také parametre by už z materiálu urobili konkurenta hliníka pri výrazne nižšej hmotnosti a pritom by stále slúžil ako batéria.

Praktické dopady sú obrovské, najmä v doprave. Výpočty naznačujú, že elektromobily so štrukturálnymi batériami by mohli jazdiť pri rovnakej hmotnosti dlhšie alebo pri rovnakom dojazde vážiť citeľne menej. Menej materiálu znamená nižšiu spotrebu energie, lepšie jazdné vlastnosti, jednoduchšiu konštrukciu aj potenciálne efektívnejšiu recykláciu.

Okrem áut výskumníci spomínajú e-bicykle, satelity, laptopy a smartfóny. Predstavte si notebook, ktorého šasi je zároveň batéria – zariadenie by mohlo byť polovičné tak ťažké a výrazne tenšie. Podobne by sa dali navrhnúť rámy bicyklov či panely satelitov, ktoré nesú konštrukciu aj energiu naraz.

Najodvážnejšou víziou sú lietadlá. Elektrický pohon lietadiel dnes naráža práve na hmotnosť batérií, ktoré sú príliš ťažké na dlhé lety. Ak by sa podarilo premeniť krídla a trup na „bezmasové“ batérie, kombinované napríklad so solárnymi panelmi, časť tohto fyzikálneho limitu by sa podstatne zmiernila.

Zatiaľ však ide o laboratórne prototypy, nie o diely pripravené na montáž do sériových áut. Štrukturálna batéria musí preukázať dlhodobú cyklickú životnosť, odolnosť voči nárazom, požiarnej záťaži a bezpečné správanie pri havárii. Až potom ju budú môcť konštruktéri začleniť do reálnych vozidiel, lietadiel či spotrebnej elektroniky.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ:

Štrukturálne batérie menia základnú rovnicu medzi hmotnosťou a energiou – z batérie sa stáva súčasť kostry zariadenia. Ak sa podarí naplniť plánované parametre, môžeme vidieť autá, lietadlá či notebooky, ktoré sú výrazne ľahšie a energeticky úspornejšie než dnes. Ide o jeden z najsľubnejších smerov, ako dostať elektrický pohon tam, kde dnes naráža na fyzikálne limity klasických batérií.

^{Zdroj: popularmechanics.com foto: depositphotos.com}