Wie der aufgeladene Power Suit, den Black Panther von Marvel Comics trägt, haben UCF-Forscher NASA-Technologien weiterentwickelt, um einen Power Suit für ein Elektroauto zu entwickeln, der so stark wie Stahl und leichter als Aluminium ist und dazu beiträgt, die Leistungskapazität des Fahrzeugs zu steigern.
Der Anzug besteht aus geschichtetem Kohlenstoff-Verbundmaterial, das aufgrund seines einzigartigen Designs auf Nanoebene als energiespeicherndes Superkondensator-Batterie-Hybridgerät fungiert.
Die Entwicklung erschien kürzlich als Titelgeschichte im Fachblatt Klein und könnten Anwendungen in einer Reihe von Technologien haben, die leichte Energiequellen erfordern, von Elektrofahrzeugen über Raumfahrzeuge, Flugzeuge, Drohnen, tragbare Geräte und tragbare Technologien.
„Unsere Idee ist es, die Körperhüllen zu verwenden, um Energie zu speichern, um die in Batterien gespeicherte Energie zu ergänzen“, sagt der Co-Autor der Studie, Jayan Thomas, Teamleiter und Professor am NanoScience Technology Center und am Department of Materials Science and Engineering der UCF.
„Der Vorteil ist, dass dieser Verbundstoff das Gewicht Ihres Autos reduzieren und die Kilometer pro Ladung erhöhen kann“, sagt er. „Es ist so stark oder sogar stärker als Stahl, aber viel leichter.“
Das Material, wenn es als Autokarosserie verwendet wird, könnte die Reichweite eines Elektroautos um 25 % erhöhen, was bedeutet, dass ein Fahrzeug mit 200 Meilen pro Ladung zusätzliche 50 Meilen zurücklegen und sein Gesamtgewicht reduzieren könnte.
Als Superkondensator würde er auch die Leistung eines Elektroautos steigern und ihm den zusätzlichen Schub geben, den es braucht, um in 3 Sekunden von null auf 60 Meilen pro Stunde zu kommen.
„Diese Anwendung, wie auch viele andere, könnte eines Tages am Horizont erscheinen, wenn die Technologie in ihrem Reifegrad voranschreitet“, sagt Luke Roberson, Co-Autor der Studie und Senior Principal Investigator für Forschung und Entwicklung am Kennedy Space Center der NASA.
Diese Materialien könnten als Rahmen für Würfelsatelliten, Strukturen in Lebensräumen außerhalb der Welt oder sogar als Teil futuristischer Brillen wie Mixed- und Virtual-Reality-Headsets verwendet werden.
„Es gibt viele potenzielle Infusionspunkte innerhalb der Wirtschaft sowie für die zukünftige Weltraumforschung“, sagt Roberson. „Meiner Meinung nach ist dies ein enormer Fortschritt in der technologischen Bereitschaft, um uns dahin zu bringen, wo wir für die Infusion von NASA-Missionen sein müssen.“
Bei Autos würde das Superkondensator-Verbundmaterial wie eine Batterie durch Aufladen sowie beim Bremsen des Autos mit Strom versorgt, sagt Thomas.
„Seine Lade-Entlade-Zykluslebensdauer ist zehnmal länger als die einer Elektroautobatterie“, sagt er.
Die verwendeten Materialien seien außerdem ungiftig und nicht brennbar, was für die Sicherheit der Insassen im Falle eines Unfalls sehr wichtig sei, sagt er.
„Dies ist eine enorme Verbesserung gegenüber früheren Ansätzen, die unter Problemen mit toxischem Material, brennbaren organischen Elektrolyten, kurzen Lebenszyklen oder schlechter Leistung litten“, sagt Thomas.
Aufgrund seines einzigartigen Designs, bei dem mehrere Schichten Kohlefaser verwendet werden, verfügt das Material über eine erhebliche Schlag- und Biegefestigkeit, die für die Widerstandsfähigkeit gegen einen Autounfall unerlässlich ist, sowie über eine erhebliche Zugfestigkeit.
Das leichte Superkondensator-Batterie-Hybrid-Verbundmaterial versorgt ein elektrisches Spielzeugauto mit Strom. Kredit: Kredit: Thomas Research Group, University of Central Florida
Um das Material zu konstruieren, erzeugten die Forscher positiv und negativ geladene Kohlefaserschichten, die, wenn sie in einem abwechselnden Muster gestapelt und befestigt werden, einen starken, energiespeichernden Verbundstoff bilden.
Auf den Kohlefaserschichten angebrachte Graphenblätter im Nanomaßstab ermöglichen eine erhöhte Ladungsspeicherfähigkeit, während auf angebrachten Elektroden abgeschiedene Metalloxide die Spannung erhöhen und eine höhere Energiedichte bieten. Dies verleiht dem Superkondensator-Batterie-Hybrid seine beispiellose Energiespeicherfähigkeit und Ladelebensdauer, sagt Thomas.
Deepak Pandey, der Hauptautor der Studie und Doktorand im Labor von Thomas, arbeitete an der Formung, Formgebung und Optimierung des Verbundwerkstoffs sowie an der Entwicklung der Methode zur Zugabe von Metalloxiden zu den Kohlenstoffgraphenstreifen.
Der Co-Autor der Studie, Kowsik Sambath Kumar, ein Doktorand in Thomas‘ Labor, entwickelte eine Möglichkeit, nanoskaliges Graphen vertikal auf Kohlefaserelektroden auszurichten.
Laut Kumar ist eine der wichtigsten Entwicklungen dieses Superkondensator-Verbundwerkstoffs sein geringes Gewicht.
„Heute macht die Batterie bei Elektroautos 30 bis 40 Prozent des Gewichts aus“, sagt er. „Mit diesem energiespeichernden Verbundwerkstoff können wir zusätzliche Kilometer zurücklegen, ohne das Batteriegewicht zu erhöhen, außerdem reduziert es das Fahrzeuggewicht, während es gleichzeitig eine hohe Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit beibehält. Immer wenn Sie dieses Gewicht verringern, können Sie die Reichweite erhöhen, das ist also enorm Anwendungen in Elektroautos und der Luftfahrt.“
Pandey stimmt zu und hebt seine Nützlichkeit für den Raumfahrtsektor hervor.
„Die Herstellung eines kubischen Satelliten aus diesem Verbundwerkstoff wird den Satelliten leichter machen und dazu beitragen, den schweren Batteriesatz zu eliminieren“, sagt er. „Dies könnte Tausende von Dollar pro Start einsparen. Darüber hinaus könnte das freie Volumen, das durch das Entfernen großer Batterien gewonnen wird, dazu beitragen, mehr Sensoren und Testgeräte unterzubringen und die Funktionalität des Satelliten zu erhöhen“, sagt Pandey. „Das Superkondensator-Batterie-Hybridverhalten ist ideal für CubeSats, da es in Minuten aufgeladen werden kann, wenn ein Satellit die sonnenbeschienene Seite der Erde umkreist.
Laut Roberson befindet sich die Technologie derzeit auf einem Technologiereifegrad von fünf, was bedeutet, dass sie in einer relevanten Umgebung getestet wurde, bevor sie in einer realen Umgebung getestet wurde, beispielsweise auf einem Weltraumflug, was ein Test der Stufe sechs wäre.
Um die letzte Teststufe, Stufe neun, zu bestehen und das kommerzielle Umfeld zu erreichen, sind weitere Entwicklungen und Tests erforderlich, die sich auf kommerzielle Anwendungen konzentrieren, sagt er.
Deepak Pandey et al, Energized Composites for Electric Vehicles: A Dual Function Energy-Storing Supercapacitor-Based Carbon Fiber Composite for the Body Panels, Klein (2022). DOI: 10.1002/klein.202107053