Batterier kan bli osynliga när bilen blir batteriet

Elon Musk är duktig på marknads­föring, det måste man ge honom. På Teslas Battery Day i september visade han en typ av batteri som kan integreras i bilens chassi och ge batteriet två uppgifter, lagra energi och utgöra en del av den bärande strukturen. Tesla själva menade att det sänker totalvikten med tio procent och därmed också förlänger elräckvidden. ”En revolution”, som Musk kallade det.
Men för batteriforskarna är tekniken inte ny. Redan för åtta år sedan lyckades professor Leif Asp, materialspecialist på Chalmers i samarbete med KTH och ett antal europeiska forskarkollegor att bygga strukturella batterier i en Volvo S80. Men vad är ett strukturellt batteri?

Ett konventionellt litiumjonbatteri består av fyra huvuddelar. Två elektroder – den negativa anoden och den positiva katoden – som båda skiljs åt av en tunn separator för att förhindra kortslutning, samt elektrolyten som gör att litiumjonerna kan röra sig ­mellan elektroderna. Beståndsdelarna lindas antingen runt varandra likt en cylinder eller staplas på varandra likt en madrass.

Ett strukturellt batteri ska däremot kunna se ut hur som helst. Som höljet på en mobiltelefon, en flygplanskropp eller en bil. Helt enkelt: chassiet har inget batteri inuti sig, själva chassiet är batteriet. Vilket så klart ställer stora krav på komponenterna.
På en Volvo S80 år 2012 ersatte Leif Asp med kollegor start/stopp-batteriet, förstyvningsstaget i motorrummet och kåpan som täcker dem med ett strukturellt batteri. Tre komponenter blev helt enkelt en, men med samma användningsområden. De tre komponenterna vägde tillsammans 6,9 kg, det strukturella batteriet endast 2,5 kg tack vare sitt material.

Det är här kolfiber kommer in.
Batteriet som kan se ut i princip hur som helst består av två elektroder. Att kalla dem för anod och katod är på ett sätt fel, då batteriet är uppladdningsbart så växlar dessa vid i- och urladdning. Den negativa elektroden består av kolfiber, den positiva består av litiumjärnfosfatbeklädd kolfiber. De två elektroderna separeras av en extremt tunn glasfiberväv för att undvika kortslutning. Allt omges av en elektrolyt för strukturbatterier, en porös polymer fylld med vätskeelektrolyt. Tillsammans ger det styva och starka batterier.
Kolfibern påverkas dock av litiumatomer som tränger in i materialet och koordinerar med kolatomer, vilket gör att fibrerna ­sväller cirka en procent i längsled och tio procent för tvättsnittsarean. Eftersom materialet är styvt uppstår spänningar som kan orsaka skador, spänningar man måste kunna förutse vid design och certifiering.

Men vad sker till exempel vid en krock?
– Vi vet inte jättemycket om det, säger Leif Asp.

– I tidiga studier så körde vi en spik igenom liknande strukturella superkondensatormaterial och mätte temperaturökningen. Den var ringa. Vi kan räkna med att de är säkrare än traditionella litium­jonbatterier eftersom energitätheten i cellen är lägre i våra strukturella batterier. Sedan så innehåller de även en mindre mängd lättflyktiga elektrolyter eftersom halva volymen i våra strukturella batterielektrolyter är en solid polymer.
På prototyp-Volvon byggde man även om bagageluckan till en strukturell superkondensator. En superkondensator påminner om ett batteri, men kan inte lagra lika mycket energi. Dess fördel ligger i att den snabbt kan förse saker med elektrisk laddning. Ett användningsområde är till exempel när dörrar på ett flygplan öppnas vid en nödsituation.

Att sia om framtiden är givetvis svårt och det krävs fortfarande mycket forskning.

– Jag är dock övertygad om att strukturella batterier kommer att användas på bred front i framtiden, säger Leif Asp.

– Skälet för det är minst två: först så är det möjligt att spara vikt och utrymme på systemnivå genom att materialet kan utföra flera funktioner. För det andra så finns det ett behov av solid-state-batterier (batterier med fast elektrolyt, reds anm) för ökad säkerhet.

Hur långt fram i tiden pratar vi?
– En utmaning som vi jobbar med nu är att öka effekttätheten, det vill säga hur snabbt vi kan ta ut den lagrade elektriska energin. Dagens strukturella batterier har högre inre resistans än traditionella batterier. Det innebär att vi har svårare att ta ut energin snabbt. Därför ser implementeringstidshorisonten lite olika ut för olika tillämpningar. Laptops och telefoner tar ut sin energi långsamt, vilket passar våra prototyper. En bil som accelererar behöver hög effekt, något som är svårt med dagens strukturella batterier. Jag tror därför att man kan se ett tidsspann där materialen ­introduceras i elektronikprylar inom en femårsperiod, givet att någon industrialiserar tekniken, och i fordon om tidigast tio år.
Men batterierna kan leta sig in i bilar eller flygplan tidigare än så, för att driva andra komponenter än drivlinan.

– Man kan ju tänka sig att strukturella batterier kan användas i inredningen för att försörja underhållningssystem i till ­exempel flygplan med ström tidigare än om tio år, men det krävs nya certifieringsmetoder för att möjliggöra detta.