Serat karbon terutama digunakan karena bobotnya yang ringan, dan dihargai karena kekuatan dan kekakuannya. Tetapi ketika Leif Asp melihat materi, ia melihat kesempatan untuk membuatnya melakukan tugas ganda dengan cara yang secara drastis dapat meningkatkan efisiensi mobil dan pesawat terbang.
"Baterai adalah parasit struktural, " kata insinyur dan profesor di Chalmers University of Technology di Swedia, yang berarti menambah bobot dan mengurangi efisiensi, tanpa berkontribusi pada kekuatan fisik dan struktur mobil yang sedang dihidupkannya. Tetapi bagaimana jika kendaraan itu terbuat dari baterai?
Di situlah Asp benar-benar pergi dengan teknologi ini. Dia ingin melihat mobil, pesawat, kapal, bahkan jam tangan pintar dan elektronik konsumen lainnya yang terbuat dari bahan yang bertindak sebagai tubuh dan sumber energi — sesuatu yang dikenal sebagai “baterai struktural.” Sebuah mobil yang menggunakan baterai struktural dapat menimbang hingga 50 persen kurang dari EV khas yang memiliki baterai lithium ion berat yang dikemas di bawahnya, kata Asp.
Bukan berita bahwa serat karbon memiliki sifat elektrokimia. Seperti grafit, materialnya, dalam konfigurasi tertentu, mampu konduktivitas. Para peneliti dari Chalmers University of Technology telah mengajukan permohonan paten AS pada baterai yang terbuat dari serat karbon, tetapi sebenarnya membawa satu ke pasar telah terbukti rumit bagi sejumlah kecil orang yang mempelajari gagasan itu. Penelitian baru dari tim Asp telah mengidentifikasi aspek tertentu dari bahan yang membuat potensi penggunaannya sebagai baterai struktural jauh lebih realistis.
Leif Asp dengan gelendong benang serat karbon (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Namun, semua karbon tidak sama, dan berbagai jenis karbon memiliki sifat berbeda yang membuatnya berlaku untuk penggunaan yang berbeda. Tujuan Asp adalah untuk memahami apa yang berperilaku bagaimana, dan mengapa, dan menerapkannya pada aplikasi struktural.
"Serat karbon yang tersedia di pasaran, telah dibuat untuk aplikasi struktural atau dibuat untuk aplikasi listrik, " katanya. Aplikasi struktural adalah apa yang paling kita kenal, dari karbon yang membentuk sepeda dan produk kuat dan ringan lainnya, tetapi komponen listrik kadang-kadang terbuat dari bahan juga, meskipun jenisnya berbeda. Dia percaya ada karbon yang bisa melakukan keduanya.
Dalam penelitian terbaru mereka, Asp dan kolaboratornya membandingkan tiga komposit dan memeriksanya melalui mikroskop elektron dan spektroskopi laser. Mereka membangun serat menjadi baterai, melihat ukuran dan orientasi kristal atom karbon yang terikat bersama di dalamnya, dan membandingkan kekakuan, kekuatan dan sifat elektrokimia dari bahan yang berbeda. Kristal yang lebih kecil, dengan struktur yang lebih disorientasi, cenderung lebih reaktif secara elektrokimia - yaitu, mereka lebih mampu mengambil, menyimpan dan melepaskan elektron, dan dengan demikian bertindak sebagai baterai. Namun, jenis karbon ini kurang kaku dibandingkan dengan karbon yang lebih panjang dan berbaris. (Either way, mereka sangat kecil; Asp membandingkan serat dengan kristal dari 18 hingga 28 angstrom ke kristal dari 100 hingga 300 angstrom, dan angstrom adalah sepersepuluh miliar meter).
Visi para peneliti adalah kendaraan di mana sebagian besar badan mobil atau badan pesawat terdiri dari baterai lithium ion struktural. (Yen Strandqvist, Universitas Teknologi Chalmers) Menggunakan serat karbon yang mengorbankan kekakuan untuk mencapai konduktivitas yang lebih baik mungkin tidak menjadi masalah, karena bahannya masih lebih keras dari baja, dan mampu membawa beban struktural. Itu juga tidak akan menahan biaya seefisien baterai tradisional, tetapi kemudian, jika sebagian besar mobil terdiri dari barang-barang, itu tidak harus karena efisiensi keseluruhan masih akan sangat meningkat. Mitra industri seperti Airbus, yang telah bekerja dengan Asp sejak 2015, menyebut ini sebagai "penyimpanan energi tanpa massa."
Tetap saja, teknologi yang jauh dari praktis - berpotensi berpuluh-puluh tahun, kata Adrian Mouritz, dekan eksekutif sekolah teknik di RMIT University di Melbourne. Mouritz juga bekerja pada penyimpanan energi struktural menggunakan serat karbon, tetapi karyanya menanamkan baterai ion lithium ke dalam sandwich karbon, membantu mengangkut sebagian beban struktural dan mengurangi bobot baterai, meskipun tidak seluas versi Asp.
“Pendekatan yang kami ambil, bahan komposit sudah terbukti, baterai itu sendiri sudah terbukti. Yang kami coba buktikan hanyalah integrasi baterai ke dalam komposit, yang merupakan langkah yang jauh lebih kecil untuk diambil, ”kata Mouritz. “Leif's… lebih rumit secara teknis, tetapi manfaatnya dalam jangka panjang akan menjadi lebih kuat. Itu masih hanya membutuhkan lebih banyak penelitian dan pengembangan untuk mengoptimalkan bahan dan desain sistem yang sebenarnya. "
Asp dan lab-nya sedang berusaha membuatnya layak. Penelitian awal (2014 dan sebelumnya) memodifikasi serat karbon, memperkenalkan selubung elektrolit polimer laminasi yang membantu serat menyimpan dan melepaskan ion secara lebih efisien, dengan cara yang sama seperti baterai lithium ion menggunakan elektrolit intervensi.
“Agar ini bisa terbang, tentu saja, akan lama sekali, ” kata Asp. Dia bekerja sama dengan Airbus untuk memproduksi demo, untuk rilis tahun depan, yang menggantikan lampu interior dan kabel dengan serat karbon struktural. Meskipun penghematan berat yang lebih besar bisa dalam menghilangkan kebutuhan bahan bakar, yang menurut Mouritz menyumbang sepertiga atau lebih dari anggaran operasi maskapai, demo Airbus akan menjadi ilustrasi bahwa teknologi ini layak.
Mouritz melihat teknologi yang diterapkan pada mobil mewah dan mobil balap Formula 1 terlebih dahulu, dan adopsi luas di pasar konsumen begitu harga turun dan keandalannya dikonfirmasi. "Jika Anda dapat menyalakan pesawat Anda, jika Anda dapat menyalakan mobil Anda, penghematan biaya bersih sebenarnya adalah ratusan juta jika tidak dalam miliaran dolar, " katanya.
"Hal lain, tentu saja, " Mourtiz menambahkan, "adalah, jika saya mengurangi pembakaran bahan bakar, saya sebenarnya mengurangi emisi gas rumah kaca saya."
