Göteborgilaisen Chalmersin teknisen korkeakoulun tutkijat ovat kokeellisissa tutkimuksissa valmistaneet hiilikuitukalvon, joka toimii rinnakkain elektrodina, virtajohtimena ja kantavana materiaalina. Sen avulla voi olla mahdollista istuttaa akku vaikkapa auton tai lentokoneen rakenteisiin. Akku ei näin toisi yhtään lisäpainoa laitteeseen.
Nykypäivän sähköautojen akut muodostavat suuren osan ajoneuvojen painosta, mutta ne eivät ole millään tavalla osa auton kantavaa runkoa. Jos akku olisi osa hiilikuiturakennetta, puhuisimme painottomasta energian varastoinnista. Laskelmat osoittavat, että tämän tyyppisillä monitoimiakuilla voi vähentää auton painoa huomattavasti.
Göteborgissa on tutkittu hiilikuitujen akkukäyttöä jo pitkään. Uusimpien ”rakenneakkujen” kehitys perustuu aikaisempiin tutkimuksiin, joissa havaittiin, että tietyntyyppiset hiilikuidut jäykän ja vahvan lisäksi osoittautuivat myös hyväksi kyvyksi varastoida sähköenergiaa kemiallisesti. Chalmersin uusimmat kehitykset ovat parantaneet tekniikan energiantallennuksen ominaisuukset 10-kertaisiksi.
Ensimmäinen yritys valmistaa rakenneparisto tehtiin jo vuonna 2007 Yhdysvaltain armeijan tutkimuslaboratoriossa, mutta toistaiseksi on osoittautunut vaikeaksi valmistaa paristoja, joilla on sekä hyvät sähköiset että mekaaniset ominaisuudet. Chalmersin tutkijat kehittivät yhteistyöprojektissa KTH-korkeakoulun kanssa hiilikuituakun, jonka yhdistetyt ominaisuudet ylittävät huomattavasti kaikki aiemmin valmistetut sähköenergian varastoinnin, jäykkyyden ja lujuuden suhteen. Jos tarkastellaan monitoimista suorituskykyä, se on 10 kertaa korkeampi kuin aiemmilla vastaavilla paristoilla.
Akun energiatiheys on 24 wattituntia kiloa kohti. Tämä on noin 20 prosenttia nykypäivän markkinoilla oleviin vastaaviin litiumioniakkuihin verrattuna. Mutta koska tuotteiden painoa voidaan vähentää huomattavasti, ei esimerkiksi sähköauton ajamiseen ei tarvita niin paljon energiaa. Nyt kehitetyn materiaalin vetolujuus on 25 GPa. Kyse on alhaisen jäykkyyden hiilikuidusta, mutta jo nyt ominaisuudet kilpailevat useiden muiden rakennusmateriaalien kanssa.
Uudessa paristossa on negatiivinen hiilikuituelektrodi ja vastaelektrodi, joka on valmistettu litium-rautafosfaatilla päällystetystä alumiinikalvosta. Ne erotetaan lasikuitukankaalla elektrolyyttimatriisissa.
Seuraavaksi tutkijat parantavat akun suorituskykyä edelleen. Alumiinifolio korvataan hiilikuidulla kuormaa kantavana materiaalina positiivisessa elektrodissa. Se lisää sekä jäykkyyttä että energiatiheyttä. Lasikuituerotin korvataan erittäin ohuella muunnoksella, mikä puolestaan tarkoittaa nopeampaa lataamista ja purkamista. Uuden projektin odotetaan valmistuvan kahden vuoden kuluessa.
Projektia johtava Leif Asp arvioi, että tällainen akku voi saavuttaa energiatiheyden 75 Wh/kg ja jäykkyyden 75 GPa. Tämä tarkoittaa, että akku on suunnilleen yhtä vahva kuin alumiini, mutta paljon kevyempi.
Asp arvioi, että muutaman vuoden kuluessa voidaan rakenteellisten akkujen avulla valmistaa kannettavia tietokoneita, älypuhelimia tai sähköpolkupyöriä, jotka painavat puolet nykypäivään ja ovat paljon kompaktimpia. Esimerkiksi älypuhelin voitaisiin rakentaa hyvin ohueksi, Leif Asp sanoo.
Pidemmällä aikavälillä on hänen mukaansa ehdottomasti mahdollista, että sähköautot, sähkölentokoneet ja satelliitit suunnitellaan niin, että niiden voimanlähteenä on rakenteellinen akku.
