Электромобили сильно зависят от громоздких литий-ионных аккумуляторов. Шведские ученые предложили решение: аккумулятор, который также служит несущей конструкцией автомобиля, сокращая его вес. «Структурная» батарея изготовлена из легкого и прочного углеродного волокна, а также использует более безопасный полутвердый электролит. Она обладает жесткостью, сравнимой с алюминием, и способна хранить достаточно энергии для коммерческого использования. По словам разработчиков, «безмассовое хранение энергии» увеличит запас хода электромобиля на 70%, а также позволит в будущем создавать смартфоны толщиной с кредитную карту и ноутбуки в два раза легче сегодняшних.
Углеродное волокно — невероятно легкий, прочный и жесткий материал. Благодаря этим свойствам оно востребованно в производстве спортивных автомобилей и аэрокосмической промышленности, где каждый грамм имеет значение. Однако углеродное волокно также может использоваться в качестве электрода при соответствующей электрохимической обработке. Ученые Технического университета Чалмерса применили углеродное волокно как в аноде, так и в катоде своей батареи, где оно также служит армирующим элементом и токосъемником. Это исключает необходимость в токосъемниках из тяжелых материалов, таких как медь, а также конфликтных металлов, таких как кобальт, в конструкции электрода.
В батарее используется полутвердый электролит вместо жидкого для перемещения ионов лития между клеммами. Это снижает риск возгорания и повышает безопасность эксплуатации. Однако для высокомощных применений требуется оптимизировать скорость перемещения ионов лития через электролит, говорят ученые.
Новая батарея имеет плотность энергии 30 Вт·ч/кг, что немного по автомобильным стандартам. Например, батарея Hyundai Ioniq 6 с емкостью 53 кВт·ч обладает плотностью энергии 153 Вт·ч/кг. Однако сравнивать следует не только батареи, но и весь автомобиль. Батарея из углеродного волокна интегрируется в конструкцию кузова, что значительно снижает общий вес машины и освобождает дополнительное пространство в салоне.
Производители электромобилей и других устройств могут воспользоваться этим преимуществом по-разному. Они могут либо снизить массу своих продуктов за счет использования «структурных» батарей в качестве несущих элементов, либо увеличить запас хода за счет установки дополнительных аккумуляторных ячеек в освободившееся пространство. По оценкам исследователей, электромобили с такими батареями могли бы проезжать на 70 % дальше, чем современные модели.
Последний прототип демонстрирует модуль упругости 70 ГПа, что почти втрое превышает показатель предыдущих версий в 25 ГПа. Материал стал столь же жестким, как алюминий, но при этом он значительно легче.
Аккумулятор пока что тестируется в лабораторных условиях. Поэтому массовое производство электромобилей и других устройств на его основе станет возможным лишь через несколько лет. По мнению разработчиков, структурные «безмассовые» батареи найдут применение в автомобилях и самолетах. А еще могут сделать смартфоны тонкими, как банковская карта, а ноутбуки — очень легкими.
