炭素繊維は主に軽量で使用され、強度と剛性が高く評価されています。 しかし、Leif Aspがこの資料を見ると、車や飛行機の効率を大幅に改善できるような方法で、それを二重の義務を果たす機会に見ています。
「バッテリーは構造上の寄生虫です」と、スウェーデンのチャルマース工科大学のエンジニアおよび教授は言う。つまり、動力を与える車の物理的な強度と構造に貢献することなく、重量と効率を高める。 しかし、車両がバッテリーで構築されている場合はどうなりますか？
そこで、Aspがこのテクノロジーを実際に使用しています。 彼は車、飛行機、ボート、さらにはスマートウォッチなど、体とエネルギー源の両方として機能する材料で作られた家電製品を見たいと思っています。これは「構造バッテリー」として知られています。 Aspによると、重いリチウムイオン電池をその下に詰め込んだ典型的なEVよりも1パーセント少ないという。
炭素繊維に電気化学的特性があることはニュースではありません。 グラファイトのように、特定の構成では、材料は導電性を持ちます。 チャーマーズ工科大学の研究者は、炭素繊維で作られたバッテリーに関する米国特許を申請しましたが、実際に市場に持ち込むことは、アイデアを研究している少数の人々にとって扱いにくいことが証明されています。 Aspのチームによる新しい研究により、構造電池としての潜在的な使用をより現実的にする材料の特定の側面が特定されました。
炭素繊維糸のボビンを備えたレイフ・アスプ（チャーマーズ工科大学、ヨハン・ボデル） ただし、すべての炭素が均等に生成されるわけではなく、炭素の種類が異なると、異なる用途に適用できるように特性が異なります。 Aspの目標は、何がどのように、そしてなぜ動作するかを理解し、それを構造アプリケーションに適用することです。
「市場で入手可能な炭素繊維は、構造用途または電気用途向けに製造されています」と彼は言います。 自転車やその他の強力で軽量な製品を構成するカーボンから、構造用途は私たちが最もよく知っているものですが、電気部品も異なる種類ではあるが、材料で作られていることがあります。 彼は両方を行うことができる炭素があると信じています。
彼らの最新の研究では、Aspと彼の共同研究者は3つの複合材料を比較し、電子顕微鏡とレーザー分光法でそれらを調べました。 彼らはファイバーをバッテリーに組み込み、それらに結合した炭素原子の結晶のサイズと方向を調べ、異なる材料の剛性、強度、電気化学的特性を比較しました。 構造が乱れた小さな結晶は、より電気化学的に反応する傾向があります。つまり、電子をより多く吸収、蓄積、放出できるため、電池として機能します。 ただし、これらのタイプのカーボンは、結晶が長く整列しているカーボンよりも剛性が低くなります。 （いずれにしても、それらは非常に小さいです。Aspは、18〜28オングストロームの結晶と100〜300オングストロームの結晶の繊維を比較し、オングストロームは100億分の1メートルです。）
研究者のビジョンは、車体または飛行機の胴体の大部分が構造リチウムイオン電池で構成されている車両です。 （Yen Strandqvist、Chalmers University of Technology） 材料はスチールよりも剛性が高く、構造荷重を支えることができるため、ある程度の剛性を犠牲にして優れた導電性を実現する炭素繊維を使用しても問題はありません。 また、従来のバッテリーほど効率的に充電することはできませんが、車の大部分が材料で構成されている場合、全体の効率が大幅に向上するため、充電する必要はありません。 2015年以降Aspと協力してきたエアバスなどの業界パートナーは、これを「マスレスエネルギーストレージ」と呼んでいます。
それでも、それは実用的であることから長い道のりであるテクノロジーであり、潜在的に数十年、メルボルンのRMIT大学の工学部の学部長であるAdrian Mouritzは言います。 Mouritzは炭素繊維を使用した構造エネルギー貯蔵にも取り組んでいますが、彼の研究では炭素のサンドイッチにリチウムイオン電池を埋め込んでおり、構造負荷の一部を支え、Aspのバージョンほどではありませんが電池の自重を減らしています。
「私たちが取っているアプローチ、複合材料はすでに実証済みであり、バッテリー自体はすでに実証済みです。 私たちが証明しようとしているのは、バッテリーをコンポジットに統合することだけです。 「レイフスは…技術的に複雑ですが、長期的なメリットはより強力になります。 実際のシステムの材料と設計を最適化するには、さらに多くの研究開発が必要です。」
Aspと彼の研究室は、すでに実行可能にするために取り組んでいます。 初期の研究（2014年以前）では、炭素繊維を改質し、リチウムイオン電池が介在電解質を使用するのと同じ方法で、繊維がイオンをより効率的に貯蔵および放出するのに役立つ積層ポリマー電解質のシースを導入しました。
「これが飛ぶためには、もちろん長い時間がかかるでしょう」とAspは言います。 彼はエアバスと協力して、来年のリリースのために、インテリアライトとケーブルを構造炭素繊維に置き換えるデモを作成しています。 重量の大幅な削減は燃料の必要性をなくすことになる可能性がありますが、これは航空会社の運営予算の3分の1以上を占めているとモーリッツ氏は言いますが、エアバスのデモは技術が実行可能であることを示しています。
Mouritzは、この技術が高級車とF1レースカーに最初に適用され、価格が下がって信頼性が確認されると、消費者市場で広く採用されると考えています。 「航空機を軽量化できれば、自動車を軽量化できれば、実際の純コスト削減は数十億ドルではなくても数億ドルになります」と彼は言います。
「もちろん、もう1つは、燃料の燃焼を減らすなら、実際に温室効果ガスの排出量を減らすということです」
