Ogniwa strukturalne to nowy trend w produkcji baterii. Ogniwa, które dotychczas były jedynie balastem, przeobrażają się w elementy pełniące rolę szkieletu akumulatora czy wręcz samochodu. I właśnie w tym kierunku poszli naukowcy z dwóch znamienitych szwedzkich politechnik: Chalmers University i Królewskiego Instytutu Technologicznego (KTH).
Elastyczne ogniwa strukturalne dzięki kompozytom. Na razie 0,024 kWh/kg, plany mówią o 0,075 kWh/kg
Ogniwa strukturalne nazywa się niekiedy „bezmasowymi” (nieposiadającymi masy, ang. massless), ale nie należy tego terminu rozumieć dosłownie, w znaczeniu charakterystycznym dla fizyki cząstek elementarnych. „Bezmasowe” ogniwa w samochodzie to po prostu ogniwa, które nie stanowią dodatkowego balastu, bo pełnią funkcję szkieletów, wzmocnień itd. – struktur w pojeździe niezbędnych.
Stworzone przez Chalmers University i KTH ogniwa składają się z dwóch elektrod: opartej na włóknach węglowych (anoda) oraz litowo-żelazowo-fosforanowej (katoda), między którymi umieszczono materiał z włókien szklanych nasycony elektrolitem. Przyglądając się nagraniu możemy stwierdzić, że całość połączono w jednej obudowie wykonanej z kompozytów:
Tak stworzone ogniwo jest elastyczne i ma na elektrodach napięcie 8,4 wolta (3x 2,8 V). Naukowcy przyznają, że osiągnięta gęstość energii wynosi obecnie 0,024 kWh/kg, jest więc ponad dziesięciokrotnie niższa niż w najlepszych współczesnych ogniwach (0,25-0,3 kWh/kg). Gdy jednak przypomnimy sobie, że przy klasycznych ogniwach konieczne jest doliczenie wagi modułów i obudowy baterii, różnica staje się już „tylko” 6-8-krotna.
Moduł Younga, współczynnik sprężystości podłużnej prototypowego ogniwa strukturalnego wynosi ponad 28 GPa. Dla porównania: plastik wzmocniony włóknami węglowymi ma moduł Younga wynoszący 30-50 GPa, więc ogniwo Chalmers University i KTH nie odbiega aż tak bardzo od swego klasycznego odpowiednika.
Naukowcy chcą w następnym kroku odchudzić separator oraz zamienić folię aluminiową przy elektrodzie na materiał oparty na włóknach węglowych. Zakładają, że dzięki tym modyfikacjom dojdą do poziomu 0,075 kWh/kg oraz 75 GPa. I nawet jeśli ogniwa tego rodzaju będą zbyt drogie do zastosowania w samochodach, to mogą się sprawdzić na przykład w lotnictwie.
Pierwszym samochodem z ogniwami strukturalnymi był chiński BYD Han. W tym roku pojawiają lub pojawią się one w BYD Tang (2021), Mercedesie EQS czy Tesli Model Y wytwarzanej w Niemczech i zbudowanej w oparciu o ogniwa 4680.
Zdjęcie otwierające: prototypowe ogniwo strukturalne (c) Chalmers Unviersity
