La visione dei ricercatori riguarda i veicoli in cui gran parte della carrozzeria o della fusoliera dell'aereo è costituita da batterie strutturali agli ioni di litio. La fibra di carbonio multifunzionale può funzionare come elettrodi della batteria e materiale portante consecutivamente. I ricercatori lavorano con batterie strutturali agli ioni di litio in cui gli elettrodi negativi sono realizzati in fibra di carbonio e gli elettrodi positivi sono realizzati in fibra di carbonio rivestita con catodo. Nella foto, la batteria è carica, il che significa che l'elettrodo negativo è riempito con ioni di litio caricati positivamente. Credito:Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology
Uno studio condotto dalla Chalmers University of Technology, Svezia, ha dimostrato che le fibre di carbonio possono funzionare come elettrodi per batterie, immagazzinare energia direttamente. Questo apre nuove opportunità per le batterie strutturali, dove la fibra di carbonio diventa parte del sistema energetico. L'uso di questo tipo di materiale multifunzionale può contribuire a una significativa riduzione del peso degli aerei e dei veicoli del futuro, una sfida chiave per l'elettrificazione.
Gli aerei passeggeri devono essere molto più leggeri di quanto non siano oggi per essere alimentati dall'elettricità. Anche una riduzione del peso è molto importante per i veicoli al fine di prolungare la distanza di guida per carica della batteria.
Leif Asp, Professore di Meccanica dei Materiali e Computazionale presso la Chalmers University of Technology, conduce ricerche sulla capacità delle fibre di carbonio di svolgere più compiti che semplicemente fungere da materiale di rinforzo. Possono immagazzinare energia, Per esempio.
"Una carrozzeria non sarebbe quindi semplicemente un elemento portante, ma funge anche da batteria, " dice. "Sarà anche possibile utilizzare la fibra di carbonio per altri scopi come la raccolta di energia cinetica, per sensori o per conduttori sia di energia che di dati. Se tutte queste funzioni facessero parte della carrozzeria di un'auto o di un aereo, questo potrebbe ridurre il peso fino al 50 percento."
Asp ha guidato un gruppo multidisciplinare di ricercatori che ha recentemente pubblicato uno studio su come la microstruttura delle fibre di carbonio influenza le loro proprietà elettrochimiche, ovvero, la loro capacità di funzionare come elettrodi in una batteria agli ioni di litio. Finora questo è stato un campo di ricerca inesplorato.
I ricercatori hanno studiato la microstruttura di diversi tipi di fibre di carbonio disponibili in commercio. Hanno scoperto che le fibre di carbonio con cristalli piccoli e poco orientati hanno buone proprietà elettrochimiche ma una rigidità inferiore in termini relativi. Se lo confronti con le fibre di carbonio che hanno grandi, cristalli altamente orientati, hanno maggiore rigidità, ma le proprietà elettrochimiche sono troppo basse per l'uso in batterie strutturali.
"Ora sappiamo come dovrebbero essere prodotte le fibre di carbonio multifunzionali per raggiungere un'elevata capacità di accumulo di energia, garantendo allo stesso tempo una rigidità sufficiente, " dice Asp. "Una leggera riduzione della rigidità non è un problema per molte applicazioni come le automobili. Il mercato è attualmente dominato da costosi compositi in fibra di carbonio la cui rigidità è adattata all'uso aereo. C'è quindi un certo potenziale qui per i produttori di fibra di carbonio per estendere il loro utilizzo".
Nello studio i tipi di fibra di carbonio con buone proprietà elettrochimiche avevano una rigidità leggermente superiore a quella dell'acciaio, mentre i tipi le cui proprietà elettrochimiche erano scarse sono poco più di due volte più rigidi dell'acciaio.
I ricercatori stanno collaborando con l'industria automobilistica e aeronautica. Leif Asp spiega che per l'industria aeronautica, potrebbe essere necessario aumentare lo spessore dei compositi in fibra di carbonio, per compensare la ridotta rigidità delle batterie strutturali. Questo sarebbe, a sua volta, aumentare anche la loro capacità di accumulo di energia.
"La chiave è ottimizzare i veicoli a livello di sistema, in base al peso, forza, rigidità e proprietà elettrochimiche. È una sorta di nuovo modo di pensare per il settore automobilistico, che è più abituato all'ottimizzazione dei singoli componenti. Le batterie strutturali potrebbero forse non diventare efficienti come le batterie tradizionali, ma poiché hanno una capacità portante strutturale, si possono ottenere grandi guadagni a livello di sistema."
Lui continua, "Inoltre, la minore densità energetica delle batterie strutturali le renderebbe più sicure delle batterie standard, soprattutto perché non conterrebbero nemmeno sostanze volatili."
