Auto's bouwen uit batterijen is niet zo gek als het klinkt

De hoge kosten en het beperkte bereik van elektrische voertuigen kunnen ervoor zorgen dat ze moeilijk te verkopen zijn, en hun duurste en meest beperkende onderdeel zijn hun batterijen.

Vermogen koffer: Een onderzoeker installeert een nieuwe kofferklep van koolstofvezels die elektriciteit opslaan.

Maar batterijen bieden ook nieuwe ontwerpmogelijkheden omdat ze op meer manieren kunnen worden gevormd dan benzinetanks en omdat ze kunnen worden gemaakt van dragende materialen. Als hun chemische eigenschappen veiliger kunnen worden gemaakt, kunnen batterijen conventionele deurpanelen en andere carrosseriedelen vervangen, waardoor een voertuig mogelijk aanzienlijk lichter, ruimer en goedkoper wordt. Dit zou een manier kunnen zijn om elektrische auto's te helpen concurreren met die op gas.

Tesla Motors en Volvo hebben vroege versies van de algemene aanpak gedemonstreerd door batterijpakketten te bouwen die een deel van het structurele materiaal in een conventionele auto kunnen vervangen. Tientallen andere onderzoeksgroepen en bedrijven zetten verdere stappen om batterijen te maken die bestaande lichaamsdelen, zoals carrosseriepanelen en frames, vervangen.

De mogelijkheid om batterijen als constructiemateriaal te gebruiken wordt momenteel beperkt door het gebruik van ontvlambare elektrolyten, maar onderzoekers ontwikkelen veiligere chemicaliën die op grotere schaal kunnen worden gebruikt. De aanpak roept ook een aantal praktische vragen op: kunnen de energiebesparende carrosseriepanelen zo worden ontworpen dat de auto, zelfs als ze zijn ingedeukt, nog steeds werkt? En hoe duur wordt carrosserie? Onder druk zouden autofabrikanten echter kunnen overgaan tot de aanpak om meer elektrische voertuigen en hybrides te verkopen om aan de strenge toekomstige normen voor brandstofverbruik te voldoen.

Batterijen zijn het duurste item in elektrische auto's, dus als ze goedkoper zijn, worden elektrische voertuigen ook goedkoper. Maar zelfs zonder noemenswaardige doorbraken kunnen nieuwe batterijontwerpen een auto lichter maken.

Een voorbeeld is de manier waarop Tesla de batterij voor de Model S heeft ontworpen. De metalen behuizing die de batterij beschermt, dient ook om het frame van de auto stijver te maken, waardoor er minder metaal nodig is (zie Hoe Tesla de innovatie van elektrische auto's stimuleert).

Deze maand demonstreerde Volvo een andere aanpak met lithium-ionbatterijen, die zijn gemaakt van dunne materiaalfilms die worden opgerold of opgevouwen om een ​​batterijcel te vormen. Onderzoekers aan de Lule University of Technology in Zweden in samenwerking met Volvo deze films ingeklemd tussen vellen koolstofvezelcomposiet. De resulterende structuur werd gebruikt om plastic carrosseriedelen en een kleine conventionele batterij te vervangen op een hybride versie van de Volvo S80. (De auto is een stop-starthybride die een batterij gebruikt om het mogelijk te maken de motor uit te zetten wanneer de auto niet beweegt.)

Het Amerikaanse ministerie van Energie Agentschap voor geavanceerde onderzoeksprojecten voor energie besteedt $ 37 miljoen aan projecten die batterijen willen gebruiken als structurele materialen. (Het programma heet RANGE, wat staat voor Robust, Affordable, Next-Generation Energy Storage Systems). In twee ARPA-E-projecten zoeken onderzoekers naar manieren om batterijpakketten te ontwerpen om energie te absorberen bij een crash, ter vervanging van materialen die nu worden gebruikt om passagiers te beschermen. In plaats van batterijcellen bijvoorbeeld in een stevig blok te verpakken, zou het mogelijk kunnen zijn dat de cellen bij een ongeluk langs elkaar bewegen, waardoor energie wordt afgevoerd.

De meeste benaderingen die tot nu toe zijn onderzocht, maken nog steeds gebruik van conventionele batterijcellen - de delen van het pakket die daadwerkelijk energie opslaan. Als er veiligere batterijcellen kunnen worden gemaakt, zou dit nog meer flexibiliteit bieden in hoe een auto kan worden ontworpen. U hoeft ze niet in beschermende hoesjes te plaatsen of hun temperatuur te regelen om batterijbranden te voorkomen.

Als je niet geobsedeerd bent door het beschermen van batterijen, kun je veel creatiever zijn. Je bent niet beperkt tot de architectuur van conventionele auto's, zegt Ping Liu , die het RANGE-project van ARPA-E beheert en heeft helpen bedenken.

Hiertoe ontwikkelen verschillende onderzoekers nieuwe chemicaliën die geen ontvlambare elektroden gebruiken, zodat de batterijen veilig als deurpanelen kunnen worden gebruikt. Ze overwegen vluchtige elektrolyten te vervangen door minder ontvlambare polymeren, materialen op waterbasis en keramiek (zie vastestofbatterijen). Zodra ze een veiliger elektrolyt hebben, gaan de onderzoekers op zoek naar manieren om de batterij-elektroden in een cel te gebruiken om lasten te dragen.

Volvo heeft een experimentele versie van deze aanpak waarbij koolstofvezels in composietmaterialen worden gebruikt om elektriciteit op te slaan en te geleiden, maar ook om de composieten te versterken. Het apparaat werd gevormd in de vorm van een kofferdeksel. Maar het kon alleen genoeg elektriciteit produceren om sommige LED's te verlichten, dus het kon de batterij in een elektrische auto of een hybride niet vervangen. Een nieuwere versie wordt ontwikkeld op Imperial College in Londen vervangt de epoxy die normaal gesproken koolstofvezels bij elkaar houdt in een composiet door een mengsel van stijve materialen en ionische vloeistoffen die geladen moleculen kunnen geleiden. Dit vormt een soort supercondensator die genoeg energie kan opslaan om te worden gebruikt in plaats van een batterij in een stop-starthybride.

Voor elektrische auto's en hybrides met grotere batterijen slaan supercondensatoren niet genoeg energie op. Om voldoende actieradius te bieden, ontwikkelen sommige onderzoekers lithium-ionbatterijen die koolstofvezels gebruiken voor de ene elektrode, maar conventionele lithium-ionmaterialen voor de andere. Anderen hebben een niet-vluchtige polymeerelektrolyt ontwikkeld om conventionele, ontvlambare elektrolyten te vervangen. Het resulterende materiaal maakt het mogelijk om twee banen met één ding te doen, zegt Leif Asp , een professor aan de Universiteit van Lule. Verschillende ARPA-E-projecten hanteren deze aanpak.

Deze nieuwe elektrolyten en dragende batterijcellen zijn echter waarschijnlijk meer dan een decennium verwijderd van hun nut in auto's. Het zal moeilijk zijn om ervoor te zorgen dat de batterij grote hoeveelheden energie opslaat en ook als structureel onderdeel sterk genoeg kan zijn.

Asp zegt dat de eerste toepassingen in draagbare elektronica zouden kunnen zijn, waar dragende batterijen conventionele plastic behuizingen zouden kunnen vervangen. Maar als auto-onderdelen ooit van dergelijke materialen kunnen worden gemaakt, kunnen batterijen eindelijk van een beperkende factor naar een verkoopargument worden.

zich verstoppen