Strukturella batterikompositer för viktlös energilagring

Forskningsprojekt, 2021 – 2023

I projektet ”strukturella batterikompositer för viktlös energilagring” utvecklar vi framtidens energilagring för satelliter och andra rymdfarkoster. Genom att introducera förmågan att lagra elektrisk energi i strukturen så kan behovet av traditionella batterier starkt reduceras eller helt undvikas.

Dagens satelliter är helt beroende av elektrisk energi lagrad i batterier. Fulladdade batterier inkluderas i satelliten för att, så snart satelliten är i omloppsbana runt jorden, driva uppstarten av den inbyggda datorn samt tillhandahålla energin som behövs för att veckla ut de hopfällda solpanelerna. Väl i drift laddas batterierna av solcellerna och säkerställer kontinuerlig drift under de korta, men frekventa, solförmörkelserna som satelliten utsätts för. Normalt väger ett batteripack för en satellit ca 250 kg.

Batteriet tillhandahåller endast elektrisk energi och bidrar inte på något sätt till den strukturella lastförmågan. I stället så måste konstruktionen stärkas för att bära lasten från batteriet som därför kan betraktas som en strukturell parasit som avsevärt ökar satellitens totala massa. Väl i rymden spelar denna massa ingen roll, men
kostnaden för den extra vikten vid uppskjutningen är enorm. Space X räknar med en kostnad per kilogram på ca 15 000 SEK. I detta projekt demonstrerar vi en ny teknik för viktlös energilagring. Vi utvecklar ett helt nytt konstruktionsmaterial med förmåga att lagra elektrisk energi samtidigt som det bär mekanisk last. På detta sätt
kan den elektriska energin lagras utan att satellitens massa ökar. Vi kallar detta nya konstruktionsmaterial ett strukturellt batteri. Strukturella batterier kommer att möjliggöra radikala viktminskningar för en bred mängd elektriska system så som vägfordon, flygplan, handhållna verktyg, datorer och rymdfarkoster.

Strukturella batterier utnyttjar kolfibrer som förutom att vara mycket starka och styva också fungerar utmärkt som elektrod (anod) i litium-jon batterier. För att kunna utveckla väl fungerande strukturbatterier och kunna förutsäga deras multifunktionella beteende så behöver vi ha djup kunskap om materialens (kompositen och dess beståndsdelars) egenskaper. I det föreslagna projektet avser vi mäta hur kolfibrer påverkas av att litium tränger in i fiberns kolstruktur, så kallad litiering. Speciellt ska vi studera hur mycket fibern sväller och hur dess styvheter påverkas av litieringen. Vi kommer också att designa, tillverka och karaktärisera den andra generationens strukturella batterier med egenutvecklad strukturell motelektrod (katod). En särskild studie av gränsytor mellan batteriets olika beståndsdelar kommer att genomföras, för bästa möjliga elektrokemiska och mekanisk prestanda.

Chalmers och KTH har samarbetat i utvecklingen av strukturella batterier under de senaste tio åren. Vi är idag världsledande i området. Den första generationens strukturella batterier kan lagra drygt hälften så mycket elektrisk energi som ett kommersiellt litiumjonbatteri och samtidigt bära last ungefär lika bra som skrovet på en glasfiberförstärkt båt. Den andra generationens strukturbatteri förväntas kunna lagra lika mycket energi som dagens kommersiellt tillgängliga batterier med samma lastbärande förmåga som en traditionell kolfiberkomposit. Då dagens satelliter utnyttjar kolfiberkomposit, inte minst i solpanelerna, så uppskattar vi att tillgång till strukturella batterier kommer att medge att det konventionella batteriet tas bort. Detta kommer att resultera i en
avsevärd viktminskning. En viktminskning på 200 kg motsvarar en kostnadsbesparing på nästan 40 miljoner kronor. Tillgång till strukturella batterier kommer därför att ge satellittillverkare en avsevärd konkurrensfördel.