Rakenneakuista enemmän energiaa

Rakenteelliset akkukomposiitit eivät voi varastoida niin paljon energiaa kuin litiumioniakut, mutta ovat houkuttelevia käytettäviksi erilaisissa kulkuneuvoissa. Kun akusta tulee osa kantavaa rakennetta, akun massa "häviää".

Suurempi kuva

Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat tuottaneet rakenneakun, joka toimii kymmenen kertaa paremmin kuin aiemmat versiot. Se sisältää hiilikuitua, joka toimii samanaikaisesti elektrodina, johtimena ja kantavana materiaalina. Heidän tutkimustuloksensa luo tietä ajoneuvojen ja muun tekniikan "massattomalle" energian varastoinnille.

Akun energiatiheys on 24 Wh/kg, mikä tarkoittaa noin 20 prosentin kapasiteettia verrattuna nykyisiin litiumioniakkuihin. Mutta kun ajoneuvon perusakun massaa voidaan keventää niin ajamiseen kuluu vähemmän energiaa. Ja 25 GPa:n jäykkyydellä rakenteellinen akku voi todella kilpailla monien muiden yleisesti käytettyjen rakennemateriaalien kanssa.

Michiganin yliopiston Nicholas Kotovin laboratoriossa on puolestaan kehitetty joustavarakenteinen sinkkiakku, jota on ajateltu integroitavaksi robotin rakenteeseen tarjoamaan vastaavaa rakenteellista energiaa.

Tässä työssä hyödynnetään biomimeettisiä aramidi nanokuituihin perustuvia komposiitteja, joilla on rustomaisen nanoskaalan morfologia ja joilla on epätavallinen yhdistelmä mekaanisia ja ioninsiirto-ominaisuuksia.

Tämä lähestymistapa kapasiteetin lisäämiseen on erityisen tärkeää, kun robotit kutistuvat mikroskaalaan, jolloin nykyiset erilliset akut ovat liian suuria ja tehottomia.

"Robottisuunnittelua rajoittaa akkujen tarve, jotka vievät usein vähintään 20% robotin sisätiloista tai painosta", Kotov toteaa. ”Uuden akun energiatiheyden ja edullisten materiaalien yhdistelmä tarkoittaa, että akku saattaa jo kaksinkertaistaa pikkupaketteja toimittavien dronerobottien toiminta-alueen.”

”Tämä ei kuitenkaan ole raja. Arvioimme, että robottien tehokapasiteetti voisi olla 72 kertaa suurempi, jos niiden ulkopinta korvataan sinkkiakuilla, verrattuna siihen, että niissä on saman tilavuuden litiumioniakku”, kertoo Kotovin laboratorion tutkija Mingqiang Wang.

Uusi akku toimii johtamalla hydroksidi-ioneja sinkkielektrodin ja ilmapuolen välillä elektrolyyttikalvon läpi. Kalvo on aramidinanokuitujen verkon eli kierrätetyn Kevlarin ja vesipohjaisen polymeerigeelin yhdistelmä. Geeli auttaa siirtämään hydroksidi-ioneja elektrodien välillä. Edullisista, runsaista ja pääosin myrkyttömistä materiaaleista valmistettu akku on ympäristöystävällisempi kuin tällä hetkellä käytössä olevat akut. Geeli ja aramid nanokuidut eivät syty jos akku vaurioituu.

"Akut voivat tehdä kaksinkertaisen tehtävän - varastoida varausta ja suojata robotin "elimiä"- toistaen elävien olentojen rasvakudosten monitoiminnallisuuden", kertoi Ahov Emre, biolääketieteen tekniikan tohtoriopiskelija Kotovin laboratoriosta.

Elektrodien välinen vahva Kevlarista tehty nanokuituverkko on avain sinkkiakun suhteellisen pitkään käyttöikään. Kevlarilla ehkäistään sinkkimetallin tyypillisesti muodostamia kalvon puhkovia piikkejä.

Aiheesta aiemmin:

Auto ja akku paperituotannon sivutuotteista

Superkonkkia rakenteisiin

Varsinainen tehopaperi