Multifunktionella material och strukturer

Multifunktionella kompositer

Detta forskningsområde rör kolfiberkompositer som på något sätt är elektrokemiskt aktiva och kan användas för energilagring, avkänning, formförändring och energiutvinning.

Strukturella kompositbatterier

Idén bakom denna forskning är att kombinera ett högpresterande kolfiberkompositmaterial med inbyggd energilagring som ett litiumjonbatteri. Genom att ha två distinkt olika funktioner i själva materialet är det tänkt att betydande massbesparingar är möjliga på systemnivå eftersom materialet både bär strukturella belastningar och lagrar elektrisk energi.

Schematisk bild av ett laminerat strukturellt batteri. Den negativa elektroden är ett kolfiberskikt som är separerat från den positiva elektroden som består av litiummetalloxidbelagda kolfibrer. Stapeln impregneras sedan med en strukturell batterielektrolyt, en matris som både kan överföra mekaniska belastningar och leda Li-joner, vilket skapar ett kolfiberlaminat med inneboende energilagring.

Avkänning

Kolfibrer blir piezoelektrokemiska när de interkalkeras med litiumjoner. Detta yttrar sig som en koppling mellan den elektriska potentialen mellan kolfiberelektroden och dess motelektrod när mekaniska belastningar appliceras. Mekaniska belastningar får cellspänningen att förändras, vilket kan användas för att känna av belastningen på kolfiberkompositen.

Spänningsändring mellan två Li-interkalerade kolfiberskikt när de böjs till en konstant krökning, se en video här .

Inbäddade sensormaterial studeras för att mäta processförhållanden under tillverkningen samt för hälsoövervakning under användning av kompositstrukturen. Bilden visar förändringen i elektrisk resistivitet hos kompositmaterial dopat med kolnanopartiklar under töjningsmätningar. Här mäts töjningsnivåerna kontaktfritt med hjälp av digital bildkorrelation (DIC).

Formförändrande kolfiberkompositer

Kolfibrer expanderar när de interkalkeras med litiumjoner och kontraherar när de deinterkalkeras. Med hjälp av denna effekt kan man med en liten ström eller spänning få ett styvt kolfiberkompositlaminat att ändra form.

Ett formförändrande kolfiberlaminat som skapas genom att en låg elektrisk potential (<1,5 V) appliceras mellan två kolfiberlager, vilket får det ena lagret att expandera och det andra att kontrahera, se en video här .

Energiutvinning

Genom att kombinera effekterna av kolfiberns expansion/kontraktion och kopplingen mellan töjning och spänning är det möjligt att omvandla mekaniskt arbete till elektrisk kraft, vilket gör det möjligt att tillverka ett kolfiberlaminat som kan skörda energi.

När kolfiberlaminatet böjs går en ström genom ett externt motstånd och producerar elektrisk energi (vänster). Detta tack vare den spänningsrespons som orsakas av laminatets böjning. Beroende på resistansen hos den externa elektriska lasten genereras olika mängder elektrisk ström (höger).