Att bygga bilar ur batterier är inte så galet som det låter

Den höga kostnaden och det begränsade utbudet av elfordon kan göra dem svåra att sälja, och deras dyraste och mest begränsande komponent är deras batterier.

Power trunk: En forskare installerar ett nytt bagagelucka av kolfiber som lagrar elektricitet.

Men batterier öppnar också för nya designmöjligheter eftersom de kan formas på fler sätt än bensintankar och för att de kan tillverkas av bärande material. Om deras kemi kan göras säkrare, kan batterier ersätta konventionella dörrpaneler och andra karossdelar, vilket potentiellt gör ett fordon betydligt lättare, rymligare och billigare. Detta kan hjälpa elbilar att konkurrera med gasdrivna bilar.

Tesla Motors och Volvo har demonstrerat tidiga versioner av det allmänna tillvägagångssättet genom att bygga batteripaket som kan ersätta en del av strukturmaterialet i en konventionell bil. Dussintals andra forskargrupper och företag tar ytterligare steg för att tillverka batterier som ersätter befintliga kroppsdelar, såsom kroppspaneler och ramar.

Möjligheten att använda batterier som strukturmaterial är för närvarande begränsad av användningen av brandfarliga elektrolyter, men forskare utvecklar säkrare kemi som skulle kunna användas mer allmänt. Tillvägagångssättet väcker också flera praktiska frågor: kan de energilagrande karosspanelerna konstrueras så att bilen fortfarande fungerar även om de är buckliga? Och hur dyrt blir karossen? Biltillverkare kan dock vända sig till det sätt som står under press för att sälja fler elfordon och hybrider för att möta stränga framtida bränsleekonomistandarder.

Batterier är den enskilt dyraste varan i elbilar, så att göra dem billigare skulle också göra elfordon billigare. Men även utan betydande genombrott kan nya batteridesigner göra en bil lättare.

Ett exempel är hur Tesla har designat batteriet för Model S. Metallhöljet som skyddar batteriet tjänar också till att göra bilramen styvare, vilket minskar den totala mängden metall som behövs (se How Tesla Driving Electric Car Innovation ).

Den här månaden visade Volvo ett annat tillvägagångssätt med litiumjonbatterier, som är gjorda av tunna filmer av material som rullas eller viks ihop för att bilda en battericell. Forskare vid Luleå tekniska universitet i Sverige har i samarbete med Volvo lagt dessa filmer mellan ark av kolfiberkomposit. Den resulterande strukturen användes för att ersätta plastkroppsdelar och ett litet konventionellt batteri på en hybridversion av Volvo S80. (Bilen är en stop-start hybrid som använder ett batteri för att göra det möjligt att stänga av motorn när bilen inte rör sig.)

USA:s energidepartement Avancerade forskningsprojekt Agency for Energy spenderar 37 miljoner dollar på projekt som försöker använda batterier som konstruktionsmaterial. (Programmet heter RANGE, vilket står för Robust, Affordable, Next-Generation Energy Storage Systems). I två ARPA-E-projekt funderar forskare på sätt att designa batteripaket för att absorbera energi i en krasch för att ersätta material som nu används för att skydda passagerare. Till exempel, snarare än att packa battericeller i ett solidt block, kan cellerna tillåtas att röra sig förbi varandra i en olycka och försvinner energi när de gör.

De flesta tillvägagångssätt som undersöks hittills använder fortfarande konventionella battericeller - de delar av paketet som faktiskt lagrar energi. Om säkrare battericeller kan göras skulle detta ge ännu mer flexibilitet i hur en bil kan utformas. Du skulle inte behöva innesluta dem i skyddsfodral eller reglera deras temperatur för att förhindra batteribränder.

När du inte är besatt av att skydda batterier kan du vara mycket mer kreativ. Du är inte begränsad till arkitekturen hos konventionella bilar, säger Ping Liu , som hanterar och hjälpte till med ARPA-E:s RANGE-projekt.

För detta ändamål utvecklar flera forskare nya kemier som inte använder brandfarliga elektroder, så batterierna kan säkert användas som dörrpaneler. De överväger att ersätta flyktiga elektrolyter med mindre brandfarliga polymerer, vattenbaserade material och keramik (se Solid-State Batterier). När de väl har en säkrare elektrolyt kommer forskarna att leta efter sätt att använda batterielektroderna i en cell för att bära belastningar.

Volvo har en experimentell version av detta tillvägagångssätt som använder kolfibrer i kompositmaterial för att lagra och leda elektricitet men också för att stärka kompositerna. Anordningen utformades i form av ett bagagelucka. Men den kunde bara producera tillräckligt med elektricitet för att tända vissa lysdioder, så den kunde inte ersätta batteriet i en elbil eller en hybrid. En nyare version utvecklas på Imperial College i London ersätter epoxin som vanligtvis håller ihop kolfibrer i en komposit med en blandning av styva material och joniska vätskor som kan leda laddade molekyler. Detta bildar en typ av superkondensator som kan lagra tillräckligt med energi för att användas i stället för ett batteri i en stop-start hybrid.

För elbilar och hybrider med större batterier lagrar superkondensatorer inte tillräckligt med energi. Så för att ge tillräckligt med räckvidd utvecklar vissa forskare litiumjonbatterier som använder kolfibrer för en elektrod, men använder konventionella litiumjonmaterial för den motsatta. Andra har utvecklat en icke-flyktig polymerelektrolyt för att ersätta konventionella, brandfarliga. Det resulterande materialet kommer att göra det möjligt att göra två jobb med en sak, säger Leif Asp , professor vid Luleå universitet. Flera ARPA-E-projekt tar den här typen av tillvägagångssätt.

Dessa nya elektrolyter och bärande battericeller är sannolikt mer än ett decennium borta från att vara användbara i bilar. Det kommer att vara svårt att säkerställa att batteriet lagrar stora mängder energi och även kan vara tillräckligt starkt som en strukturell komponent.

Asp säger att de första applikationerna kan vara i bärbar elektronik, där bärande batterier kan ersätta konventionella plasthöljen. Men om bilkomponenter en dag kan göras av sådana material, kan batterier äntligen gå från en begränsande faktor till ett försäljningsargument.

Dölj