Nuacht Tionscail

Briseadh Mór do Stóráil Fuinnimh â € œMasslessâ: Ceallraí Struchtúrtha a Fheileann 10x Níos Fearr ná Gach Leagan Roimhe Seo

2021-06-18
TOPICS: Teicneolaíocht Ceallraí, Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers, Fuinneamh, Eolaíocht Ábhar, Coitianta
Le OLLSCOIL TEICNEOLAÍOCHTA CHALMERS MÁRTA 24, 2021



Ní féidir le comhdhúile struchtúracha ceallraí an oiread fuinnimh agus cadhnraí litiam-ian a stóráil, ach tá roinnt tréithe acu a fhágann go bhfuil siad an-tarraingteach le húsáid i bhfeithiclí agus i bhfeidhmchláir eile. Nuair a bhíonn an ceallraí mar chuid den struchtúr ualaigh ualaigh, is é mais na ceallraí 'bunúsach'. Creidmheas: Yen Strandqvist / Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers.

Tá taighdeoirí ó Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers tar éis ceallraí struchtúrtha a tháirgeadh a fheidhmíonn deich n-uaire níos fearr ná gach leagan roimhe seo. Tá snáithín carbóin ann a fheidhmíonn go comhuaineach mar leictreoid, seoltóir agus ábhar ualachiompartha. Réitíonn an dul chun cinn taighde is déanaí atá acu an bealach le haghaidh stórála fuinnimh 'gan mhais' go bunúsach i bhfeithiclí agus i dteicneolaíocht eile.

Is cuid mhór de mheáchan na bhfeithiclí iad na cadhnraí i gcarranna leictreacha an lae inniu, gan aon fheidhm ualachiompartha a chomhlíonadh. Os a choinne sin, ceallraí struchtúracha is ea ceallraí a oibríonn mar fhoinse cumhachta agus mar chuid den struchtúr - mar shampla, i gcorp carr. Tugtar stóráil fuinnimh 'gan uaim' air seo, mar go bunúsach imíonn meáchan na ceallraí nuair a bhíonn sé mar chuid den struchtúr ualachiompartha. Taispeánann ríomhanna go bhféadfadh an cineál ceallraí ilfheidhme seo meáchan feithicle leictreachais a laghdú go mór.

Tá forbairt cadhnraí struchtúracha in Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers tar éis dul ar aghaidh le blianta fada taighde, lena n-áirítear fionnachtana roimhe seo a bhain le cineálacha áirithe snáithín carbóin. Chomh maith le bheith righin agus láidir, tá cumas maith acu fuinneamh leictreach a stóráil go ceimiceach. D'ainmnigh Physics World an obair seo mar cheann de na deich gcinn is mó eolaíochta 2018.

Rinneadh an chéad iarracht ceallraí struchtúracha a dhéanamh chomh luath le 2007, ach go dtí seo bhí sé deacair cadhnraí a mhonarú a bhfuil airíonna maithe leictreacha agus meicniúla acu.



Dochtúir Johanna Xu le cill cheallraí struchtúrtha nua-mhonaraithe i saotharlann ilchodach Chalmers, a thaispeánann sí do Leif Asp. Is éard atá sa chill leictreoid snáithín carbóin agus leictreoid fosfáit iarainn litiam scartha le fabraic snáithínghloine, iad go léir líonta le leictrilít ceallraí struchtúrtha le haghaidh feidhm mheicniúil agus leictreach chomhcheangailte. Tá trí chadhnraí struchtúracha ceangailte i sraith agus lannaithe mar chuid de lannú ilchodach níos mó. Tá voltas ainmniúil de 2.8 V. ag gach cill cheallraí struchtúrach. Tá voltas iomlán 8.4 V ag an lannú agus stiffness san eitleán díreach os cionn 28 GPa. Creidmheas: Marcus Folino, Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers.

Ach anois tá céim mhór chun tosaigh tógtha ag an bhforbairt, le taighdeoirí ó Chalmers, i gcomhar le hInstitiúid Teicneolaíochta Ríoga KTH i Stócólm, ag cur ceallraí struchtúrtha i láthair le hairíonna a sháraíonn i bhfad níos mó ná aon rud a chonacthas go fóill, maidir le stóráil fuinnimh leictreach, stiffness agus neart . Tá a fheidhmíocht ilfheidhmeach deich n-uaire níos airde ná fréamhshamhlacha ceallraí struchtúracha roimhe seo.

Tá dlús fuinnimh 24 Wh / kg ag an gceallraí, rud a chiallaíonn acmhainn thart ar 20 faoin gcéad i gcomparáid le cadhnraí litiam-ian inchomparáide atá ar fáil faoi láthair. Ach ós rud é gur féidir meáchan na bhfeithiclí a laghdú go mór, beidh níos lú fuinnimh ag teastáil chun carr leictreach a thiomáint, mar shampla, agus tá sábháilteacht mhéadaithe mar thoradh ar dhlús fuinnimh níos ísle. Agus le stiffness 25 GPa, is féidir leis an gceallraí struchtúrtha dul san iomaíocht i ndáiríre le go leor ábhar tógála eile a úsáidtear go coitianta.

“Mar thoradh ar iarrachtaí follasacha cadhnraí struchtúracha a dhéanamh tá cealla le hairíonna meicniúla maithe, nó airíonna leictreacha maithe. Ach anseo, agus snáithín carbóin á úsáid againn, d’éirigh linn ceallraí struchtúracha a dhearadh le hacmhainn stórála fuinnimh iomaíoch agus dolúbthacht, ”a mhíníonn Leif Asp, Ollamh le Chalmers agus ceannaire an tionscadail.



D’fhéadfadh rothair leictreacha sár-éadroma agus leictreonaic tomhaltóra a bheith ina réaltacht go luath

Tá leictreoid dhiúltach déanta as snáithín carbóin sa cheallraí nua, agus leictreoid dhearfach déanta as scragall alúmanaim brataithe le fosfáit iarainn litiam. Tá siad scartha le fabraic snáithínghloine, i maitrís leictrilít. In ainneoin gur éirigh leo ceallraí struchtúracha a chruthú deich n-uaire níos fearr ná gach ceann roimhe seo, níor roghnaigh na taighdeoirí na hábhair chun taifid a bhriseadh - ina ionad sin, theastaigh uathu éifeachtaí ailtireacht ábhair agus tiús deighilteora a imscrúdú agus a thuiscint.

Anois, tá tionscadal nua, arna mhaoiniú ag Gníomhaireacht Spáis Náisiúnta na Sualainne, ar siúl, áit a méadófar feidhmíocht na ceallraí struchtúrtha níos mó fós. Cuirfear snáithín carbóin in ionad an scragall alúmanaim mar ábhar ualachiompartha san leictreoid dhearfach, ag soláthar stiffness mhéadaithe agus dlús fuinnimh araon. Cuirfear leagan ultra-tanaí in ionad an deighilteora snáithínghloine, a thabharfaidh éifeacht i bhfad níos mó - chomh maith le timthriallta luchtaithe níos gasta. Meastar go mbeidh an tionscadal nua críochnaithe laistigh de dhá bhliain.

Measann Leif Asp, atá i gceannas ar an tionscadal seo freisin, go bhféadfadh ceallraí den sórt sin dlús fuinnimh 75 Wh / kg a bhaint amach agus stiffness 75 GPa. D’fhágfadh sé sin go mbeadh an ceallraí chomh láidir le alúmanam, ach le meáchan i bhfad níos ísle.



Leif Asp, Ollamh i Roinn na nEolaíochtaí Tionscail agus Ábhair, Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers. D’fhoilsigh sé a chéad pháipéar ar chadhnraí struchtúracha in 2010, agus d’éirigh leis anois feidhmíocht ilfheidhmeach a thaispeáint deich n-uaire níos airde ná in aon fhréamhshamhail struchtúrach ceallraí roimhe seo. Creidmheas: Marcus Folino, Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers.

“Tá acmhainneacht iontach ag ceallraí struchtúrtha na chéad ghlúine eile. Má fhéachann tú ar theicneolaíocht na dtomhaltóirí, d’fhéadfadh sé a bheith indéanta go leor laistigh de chúpla bliain fóin chliste, ríomhairí glúine nó rothair leictreacha a mhonarú a mheá leath an oiread leis an lá inniu agus atá i bhfad níos dlúithe, â € arsa Leif Asp.
Agus san fhadtéarma, is féidir a shamhlú go ndéanfar gluaisteáin leictreacha, eitleáin leictreacha agus satailítí a dhearadh le cadhnraí struchtúracha agus iad a thiomáint.

“Nílimid ach teoranta ag ár gcuid samhlaíochta anseo. Fuaireamar a lán aire ó go leor cineálacha éagsúla cuideachtaí maidir le foilsiú ár n-alt eolaíochta sa réimse. Tá sé intuigthe go bhfuil an-spéis sna hábhair éadroma ilfheidhmeacha seo, a deir Leif Asp.

Tagairt: â € œA Battery Struchtúrtha agus a Fheidhmíocht Ilfheidhmeachâ € le Leif E. Asp, Karl Bouton, David Carlstedt, Shanghong Duan, Ross Harnden, Wilhelm Johannisson, Marcus Johansen, Mats KG Johansson, Göran Lindbergh, Fang Liu, Kevin Peuvot , Lynn M. Schneider, Johanna Xu agus Dan Zenkert, 27 Eanáir 2021, Ardtaighde Fuinnimh & Inbhuanaitheachta.
DOI: 10.1002 / aesr.202000093

Tuilleadh eolais faoi: An taighde ar chadhnraí struchtúracha
Úsáideann an ceallraí struchtúrtha snáithín carbóin mar leictreoid dhiúltach, agus scragall alúmanaim brataithe le fosfáit iarainn litiam mar an leictreoid dhearfach. Feidhmíonn an snáithín carbóin mar óstach don litiam agus dá bhrí sin stórálann sé an fuinneamh. Ós rud é go seolann an snáithín carbóin leictreoin freisin, seachnaítear an gá atá le seoltóirí copair agus airgid - laghdaítear an meáchan níos mó fós. Cuireann an snáithín carbóin agus an scragall alúmanaim le hairíonna meicniúla na ceallraí struchtúrtha. Coinnítear an dá ábhar leictreoid scartha le fabraic snáithínghloine i maitrís leictrilít struchtúrach. Is é tasc an leictrilít na hiain litiam a iompar idir dhá leictreoid na ceallraí, ach freisin ualaí meicniúla a aistriú idir snáithíní carbóin agus páirteanna eile.

Reáchtáiltear an tionscadal i gcomhar idir Ollscoil Teicneolaíochta Chalmers agus Institiúid Teicneolaíochta Ríoga KTH, an dá ollscoil theicniúla is mó sa tSualainn. Forbraíodh an leictrilít ceallraí ag KTH. Tá taighdeoirí ó chúig dhisciplín éagsúla i gceist leis an tionscadal: meicnic ábhair, innealtóireacht ábhair, struchtúir éadroma, leictriceimic fheidhmeach agus teicneolaíocht snáithín agus polaiméir. Tháinig maoiniú ó chlár taighde an Choimisiúin Eorpaigh Clean Sky II, chomh maith le Airforce na SA.