Forskare vid Chalmers, i samarbete med Carbon Nexus vid Deakin University, har visat hur man i tillverkningsprocessen kan skräddarsy kolfibers multifunktionella egenskaper. Ett viktigt steg i utvecklingen av strukturella batterier.
Kolfiber är känt som ett mycket starkt och lätt konstruktionsmaterial, men har också förmågan att lagra energi elektrokemiskt. Den här multifunktionaliteten kan användas för att tillverka det som kallas för strukturella batterier. Kolfibern fungerar då både som konstruktionsmaterial och energilagring samtidigt, vilket innebär betydande viktbesparingar.
Kolfibers egenskaper varierar beroende på hur den har producerats och vilket grundmaterial (pre-cursor på engelska) som använts. Vissa typer av kolfiber kan vara mycket styva, men har en allt för låg elektrokemisk lagringsförmåga, och tvärtom. För att kunna bygga effektiva strukturella batterier behöver man därför kolfiber som kombinerar en tillräckligt hög elektrokemisk lagringsförmåga tillsammans med tillräckligt goda mekaniska egenskaper. Ju bättre de kombinerade egenskaperna blir desto effektivare strukturellt batteri.
Det är väl känt vilka parametrar i tillverkningen som påverkar kolfiberns mekaniska egenskaper, men relativt lite om dess elektrokemiska lagringskapacitet. Ett viktigt led i utvecklingen av strukturella batterier är därför att förstå hur tillverkningsprocessen kan användas för att optimera kolfiberns multifunktionella egenskaper.
Det första steget i kolfibertillverkning sker genom att organiska polymerer, som hålls samman av kolatomer, spinns till en plastfibertråd. Det polymera grundmaterialet till plastfibertråden kommer nästan uteslutande från olja, även om det går att använda andra typer av material. I denna studie användes ett garn av kommersiell polyacrylonitrile (PAN) fiber som grundmaterial. I nästa steg så dras plastfibertråden genom ett antal ugnar i det som kallas för stabiliserings- och oxideringprocessen. Plastfibertråden kan dras med olika mycket dragspänning vilket påverkar mikrostrukturen.
– Bäst multifunktionell prestanda uppstod vid medium dragspänning. Det gav nästan en maximal elektrokemisk kapacitet tillsammans med en relativt god styvhet. Studien visar att den elektrokemiska kapaciteten påverkas både av amorfa och kristallina faser, alltså atomernas oordnade och ordnade tillstånd. Så det handlar helt enkelt om att göra en så bra avvägd mikrostrukturell kompromiss som möjligt utifrån det tänkta användningsområdet, säger Johanna Xu, forskare vid institutionen för industri- och materialvetenskap, Chalmers.
De multifunktionella egenskaperna som forskarna fått fram ligger i nivå med vissa typer av de kommersiella kolfiber som finns idag. Men det finns väldigt begränsad publik kunskap om vad i tillverkningsprocessen som påverkar egenskaperna.
– Det som är speciellt med studien är att vi visar hur processen kan styras för att optimera de multifunktionella egenskaperna. I vår fortsatta forskning så ska vi även studera temperaturens påverkan i karboniseringsprocessen, som är nästa steg i tillverkningen , säger Johanna Xu.
Leif Asp har länge forskat på kolfiber och tycker att det har hänt mycket de senaste åren när det gäller intresset för strukturella batterier.
– Jag har absolut märkt av ett ökat intresse för strukturella batterier. Det blir allt fler forskare inom området och insatserna blir större. Det skapar också möjligheter för fler gemensamma projekt där vi kan utnyttja varandras styrkor. Vårt fantastiska samarbete med Carbon Nexus och Deakin University är ett bra exempel på det, säger Leif Asp, professor vid institutionen för industri och materialvetenskap, Chalmers.
Fakta
Resultaten har prestenterats i Effect of tension during stabilization on carbon fiber multifunctionality for structural battery composites - ScienceDirect
Författare: Johanna Xu, Claudia Creighton, Marcus Johansen, Fang Liu, Shanghong Duan, David Carlstedt, Pablo Mota-Santiago, Peter Lynch, Leif E. Asp
Kolfibrerna tillverkades i Australien vid Carbon Nexus, Deakin university som är en av få oberoende forskningsanläggningar med den senaste teknologin.