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Come la tuta di alimentazione carica indossata da Black Panther della Marvel Comics, i ricercatori dell'UCF hanno avanzato le tecnologie della NASA per sviluppare una tuta di alimentazione per un'auto elettrica che è forte come l'acciaio, più leggera dell'alluminio e aiuta ad aumentare la capacità di alimentazione del veicolo.
La tuta è realizzata in materiale composito di carbonio stratificato che funziona come un dispositivo ibrido supercondensatore-batteria ad accumulo di energia grazie al suo design unico a livello di nanoscala.
Lo sviluppo è apparso di recente come storia di copertina nella rivista Small e potrebbe avere applicazioni in una gamma di tecnologie che richiedono fonti di alimentazione leggere, dai veicoli elettrici ai veicoli spaziali, aeroplani, droni, dispositivi portatili e tecnologia indossabile.
"La nostra idea è utilizzare i gusci del corpo per immagazzinare energia per integrare l'energia immagazzinata nelle batterie", afferma il coautore dello studio Jayan Thomas, leader del team e professore presso il NanoScience Technology Center e Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali di UCF.
"Il vantaggio è che questo composito può ridurre il peso della tua auto e aumentare le miglia per carica", afferma. "È forte quanto o anche più forte dell'acciaio ma molto più leggero."
Il materiale, se utilizzato come carrozzeria di un'auto, potrebbe aumentare l'autonomia di un'auto elettrica del 25%, il che significa che un veicolo a 200 miglia per ricarica potrebbe percorrere 50 miglia in più e ridurne il peso complessivo.
Come supercondensatore, aumenterebbe anche la potenza di un'auto elettrica, dandole la spinta in più di cui ha bisogno per passare da zero a 60 mph in 3 secondi.
"Questa applicazione, così come molte altre, potrebbe essere all'orizzonte un giorno mentre la tecnologia avanza nel suo livello di preparazione", afferma Luke Roberson, coautore dello studio e ricercatore principale senior per la ricerca e lo sviluppo presso il Kennedy Space Center della NASA.
Questi materiali potrebbero essere utilizzati come cornici per satelliti cubici, strutture su habitat fuori dal mondo o anche come parte di occhiali futuristici, come cuffie per realtà mista e virtuale.
"Ci sono molti potenziali punti di infusione all'interno dell'economia e per future esplorazioni spaziali", afferma Roberson. "Questo è, nella mia mente, un enorme progresso del livello di preparazione tecnologica per portarci dove dobbiamo essere per l'infusione della missione della NASA."
Sulle auto, il materiale composito del supercondensatore otterrebbe la sua potenza attraverso la carica, come una batteria, così come quando l'auto frena, dice Thomas.
"La sua durata del ciclo di carica-scarica è 10 volte più lunga della batteria di un'auto elettrica", afferma.
I materiali utilizzati sono anche atossici e non infiammabili, il che è molto importante per la sicurezza dei passeggeri in caso di incidente, afferma.
"Si tratta di un enorme miglioramento rispetto agli approcci passati che hanno sofferto di problemi con materiale tossico, elettroliti organici infiammabili, bassi cicli di vita o scarse prestazioni", afferma Thomas.
Grazie al suo design unico che utilizza più strati di fibra di carbonio, il materiale ha una notevole resistenza all'impatto e alla flessione, essenziali per resistere a una collisione automatica, oltre a una notevole resistenza alla trazione.
Per costruire il materiale, i ricercatori hanno creato strati di fibra di carbonio caricati positivamente e negativamente, che quando impilati e fissati in uno schema alternato, creano un composito forte e ad accumulo di energia.
I fogli di grafene su nanoscala attaccati agli strati di fibra di carbonio consentono una maggiore capacità di immagazzinamento della carica, mentre gli ossidi metallici depositati sugli elettrodi attaccati aumentano la tensione e forniscono una maggiore densità di energia. Ciò fornisce all'ibrido supercondensatore-batteria la sua capacità di accumulo di energia e il ciclo di vita della carica senza precedenti, afferma Thomas.
Deepak Pandey, autore principale dello studio e studente di dottorato nel laboratorio di Thomas, ha lavorato alla formazione, modellatura e ottimizzazione del composito, oltre a sviluppare il metodo per aggiungere ossidi metallici alle strisce di grafene di carbonio.
Il coautore dello studio Kowsik Sambath Kumar, uno studente di dottorato nel laboratorio di Thomas, ha sviluppato un modo per allineare verticalmente il grafene su nanoscala su elettrodi in fibra di carbonio.
Kumar afferma che uno degli sviluppi più importanti di questo composito supercondensatore è che è leggero.
"Ora nelle auto elettriche, la batteria pesa dal 30% al 40%", afferma. "Con questo composito ad accumulo di energia possiamo ottenere un chilometraggio aggiuntivo senza aumentare il peso della batteria, riduce ulteriormente il peso del veicolo, pur mantenendo un'elevata resistenza alla trazione, alla flessione e all'impatto. Ogni volta che riduci quel peso, puoi aumentare l'autonomia, quindi questo ha un enorme applicazioni nelle auto elettriche e nell'aviazione."
Pandey è d'accordo e ne sottolinea l'utilità per il settore spaziale.
"Realizzare un satellite cubico con questo materiale composito renderà il satellite leggero e aiuterà ad eliminare il pesante pacco batterie", afferma. "Ciò potrebbe far risparmiare migliaia di dollari per lancio. Inoltre, il volume gratuito ottenuto dalla rimozione di batterie di grandi dimensioni potrebbe aiutare a inserire più sensori e apparecchiature di test, aumentando la funzionalità del satellite", afferma Pandey. "Il comportamento ibrido supercondensatore-batteria è ideale per i cubesat poiché può caricarsi in pochi minuti quando un satellite orbita sul lato della Terra illuminato dal sole.
Roberson afferma che la tecnologia è attualmente a un livello di preparazione tecnologica di cinque, il che significa che è stata testata in un ambiente pertinente prima di passare a essere testata in un ambiente reale, come su un volo spaziale, che sarebbe un test di livello sei.
Per superare l'ultimo livello di test, il livello nove, e raggiungere l'ambiente commerciale, saranno necessari ulteriori sviluppi e test incentrati sulle applicazioni commerciali, afferma. + Esplora ulteriormente
