När bilar, flygplan, fartyg eller datorer byggs av ett material som fungerar som både batteri och bärande konstruktion, minskar vikten och energiförbrukningen radikalt. Nu presenterar en forskargrupp på Chalmers ett världsledande framsteg inom så kallad viktlös energilagring – ett strukturellt batteri som skulle kunna halvera laptopens vikt, göra mobiltelefonen tunn som ett kreditkort eller få elbilen att gå upp till 70 procent längre på en laddning.
– Vi har lyckats skapa ett batteri av kolfiberkomposit som är styvt som aluminium och tillräckligt energitätt för att kunna användas kommersiellt. Precis som ett mänskligt skelett har batteriet flera funktioner samtidigt, säger Chalmersforskaren Richa Chaudhary, som är försteförfattare till en vetenskaplig artikel som nyligen publicerades i Advanced Materials.
Forskningen på strukturella batterier har pågått under många år på Chalmers, och i vissa skeden även tillsammans med forskare på Kungliga tekniska högskolan, KTH. När professor Leif Asp med kollegor under 2018 publicerade sina första resultat om hur styva och starka kolfiber visat sig ha god förmåga att lagra elektrisk energi kemiskt blev det en riktig skräll. Nyheten om att kolfiber kan fungera som elektroder i litiumjonbatterier fick stor spridning och framsteget rankades som ett av årets tio största genombrott av ansedda Physics World.
Lägre vikt kräver mindre energi
Sedan dess har forskargruppen vidareutvecklat sitt koncept för att öka både styvheten och energitätheten. Den förra milstolpen uppnåddes 2021 då batteriet hade en energitäthet på 24 wattimmar per kilo (Wh/kg), vilket innebär ungefär 20 procents kapacitet av ett jämförbart litiumjonbatteri. Nu är det uppe i 30 Wh/kg. Även om detta fortfarande är lägre än dagens batterier, är förutsättningarna helt annorlunda. När batteriet är en del av konstruktionen och dessutom kan göras i ett lättviktsmaterial, minskar vikten betydligt. Då krävs inte alls lika mycket energi för att driva till exempel en elbil.
– Att satsa på lätta och energieffektiva fordon är en självklarhet om vi ska hushålla med energin och tänka på kommande generationer. Vi har gjort beräkningar på elbilar som visar att de skulle kunna köra uppemot 70 procent längre än idag om de hade konkurrenskraftiga strukturella batterier, säger forskningsledaren Leif Asp som är professor vid institutionen för industri- och materialvetenskap på Chalmers.
När det gäller fordon ställs förstås höga krav på att konstruktionen ska vara tillräckligt styv för att möta säkerhetskraven. Där har forskarlagets strukturella battericell ökat sin styvhet, mätt i gigapascal (GPa), från 25 till 70. Det innebär att materialet kan bära last lika bra som aluminium, men med lägre vikt.
– Sett till de multifunktionella egenskaperna är det nya batteriet dubbelt så bra som sin föregångare – och faktiskt det bästa som gjorts någonsin i världen, säger Leif Asp som forskat på strukturella batterier sedan 2007.
Flera steg mot kommersialisering
Redan från start var målet att uppnå en prestanda som gör det möjligt att kommersialisera tekniken. Parallellt med att forskningen nu fortsätter, har kopplingen till marknaden stärkts – genom det nystartade Chalmers Venture-bolaget Sinonus AB med säte i Borås.
Det återstår dock en hel del ingenjörsarbete innan battericellerna tagit klivet från labbtillverkning i liten skala till att produceras storskaligt för våra teknikprylar eller fordon.
– Man kan tänka sig att kreditkortstunna mobiltelefoner eller laptops som väger hälften så mycket som idag, ligger närmast i tiden. Men det kan också handla om att elektronik i bilar eller flygplan drivs med strukturella batterier. Eller så blir det stenhård satsning för att möta transportindustrins utmanande energibehov, där tekniken verkligen skulle kunna göra skillnad, säger Leif Asp som märker av ett stort intresse från fordons- och flygindustrin.
Mer om: Forskningen och strukturella batterier
Strukturella batterier är batterier som utöver att lagra energi kan bära last. På så sätt kan batteriet bli en del av själva konstruktionsmaterialet i en produkt, vilket gör att man kan uppnå mycket lägre vikt på exempelvis elbilar, drönare, handhållna verktyg, laptops och mobiltelefoner.
De senaste framstegen på området har publicerats i artikeln Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery i tidskriften Advanced Materials. Författarna är Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia och Leif Asp vid Chalmers tekniska högskola.
Det utvecklade batterikonceptet bygger på ett kompositmaterial och har kolfiber som både positiv och negativ elektrod – där den positiva elektroden är belagd med litiumjärnfosfat. (När det föregående batterikonceptet presenterades utgjordes stommen i den positiva elektroden av en aluminiumfolie.)
Elektrodmaterialet är multifunktionellt och fungerar som såväl förstärkning som elektrisk ledare och aktivt material – genom att det är värd respektive byggställning för litiumet. Eftersom kolfibern leder strömmen – elektronerna – minskar behovet av strömtillledare av till exempel koppar eller silver, vilket reducerar vikten ytterligare. Det krävs inte heller några så kallade konfliktmetaller som kobolt eller mangan.
I batteriet transporteras litiumjonerna mellan batteripolerna genom en halvfast elektrolyt, i stället för en flytande, vilket är utmanande när det gäller att få ut hög effekt och för detta krävs mer forskning. Samtidigt bidar konstruktionen till ökad säkerhet i battericellen, genom minskad risk för brand.
Forskningen har finansierats av programmet Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE).
