Forskere designer opladede strømdragter til elektriske køretøjer og rumfartøjer

Ligesom den opladede strømdragt, som Black Panther fra Marvel Comics bærer, har UCF-forskere avancerede NASA-teknologier til at udvikle en strømdragt til en elbil, der er så stærk som stål, lettere end aluminium og hjælper med at booste køretøjets kraftkapacitet.

Dragten er lavet af lagdelt carbon-kompositmateriale, der fungerer som en energilagrende superkondensator-batteri hybrid enhed på grund af dets unikke design på nanoskala niveau.

Udviklingen dukkede for nylig op som forsidehistorie i tidsskriftet Small og kunne have applikationer i en række teknologier, der kræver lette energikilder, fra elektriske køretøjer til rumfartøjer, fly, droner, bærbare enheder og bærbar teknologi.

"Vores idé er at bruge kropsskallerne til at lagre energi for at supplere den strøm, der er lagret i batterier," siger studiemedforfatter Jayan Thomas, teamleder og professor i UCF's NanoScience Technology Center og Department of Materials Science and Engineering.

"Fordelen er, at denne komposit kan reducere vægten af ​​din bil og øge miles per opladning," siger han. "Det er lige så stærkt som eller endda stærkere end stål, men meget lettere."

Materialet kan, når det bruges som en bilkarosseri, øge en elbils rækkevidde med 25 %, hvilket betyder, at et køretøj på 200 miles pr. opladning kan køre yderligere 50 miles og reducere dens samlede vægt.

Som en superkondensator ville den også booste en elbils kraft og give den det ekstra skub, den skal bruge for at gå fra nul til 60 mph på 3 sekunder.

"Denne applikation, såvel som mange andre, kan være i horisonten en dag, efterhånden som teknologien udvikler sig i sit beredskabsniveau," siger Luke Roberson, medforfatter af studiet og en senior hovedforsker for forskning og udvikling ved NASAs Kennedy Space Center.

Disse materialer kan bruges som rammer til kubusatellitter, strukturer på off-world-habitater eller endda som en del af futuristiske briller, såsom mixed og virtual reality-headset.

"Der er masser af potentielle infusionspunkter inden for økonomien såvel som for fremtidig rumudforskning," siger Roberson. "Dette er efter min mening et enormt fremskridt med hensyn til teknologisk beredskabsniveau for at bringe os derhen, hvor vi skal være for NASA-missionsinfusion."

På biler ville superkondensatorkompositmaterialet få sin kraft gennem opladning, som et batteri, såvel som når bilen bremser, siger Thomas.

"Dens opladnings-afladningscyklus levetid er 10 gange længere end et elektrisk bilbatteri," siger han.

De anvendte materialer er også ugiftige og ikke brændbare, hvilket er meget vigtigt for passagerernes sikkerhed i tilfælde af en ulykke, siger han.

"Dette er en enorm forbedring i forhold til tidligere tilgange, der har lidt af problemer med giftigt materiale, brændbare organiske elektrolytter, lave livscyklusser eller dårlig ydeevne," siger Thomas.

På grund af dets unikke design, der bruger flere lag kulfiber, har materialet betydelig slag- og bøjningsstyrke, der er afgørende for at modstå en autokollision, samt betydelig trækstyrke.

For at konstruere materialet skabte forskerne positivt og negativt ladede kulfiberlag, der, når de er stablet og fastgjort i et vekslende mønster, skaber en stærk, energilagrende komposit.

Nanoskala grafenplader fastgjort på kulfiberlagene giver mulighed for øget ladningslagringsevne, mens metaloxider aflejret på vedhæftede elektroder øger spændingen og giver højere energitæthed. Dette giver superkondensator-batterihybriden sin hidtil usete energilagringsevne og opladningslivscyklus, siger Thomas.

Deepak Pandey, undersøgelsens hovedforfatter og ph.d.-studerende i Thomas' laboratorium, arbejdede på at forme, forme og optimere kompositten, samt udvikle metoden til at tilføje metaloxider til carbon-grafen-strimlerne.

Studiets medforfatter Kowsik Sambath Kumar, en ph.d.-studerende i Thomas' laboratorium, udviklede en måde til lodret at justere grafen i nanoskala på kulfiberelektroder.

Kumar siger, at en af ​​de vigtigste udviklinger fra denne superkondensatorkomposit er, at den er let.

"Nu i elbiler er batteriet 30% til 40% af vægten," siger han. "Med denne energilagrende komposit kan vi få yderligere kilometertal uden at øge batterivægten, yderligere reducerer det køretøjets vægt, samtidig med at høj trækstyrke, bøjning og slagstyrke bibeholdes. Når du reducerer vægten, kan du øge rækkevidden, så dette har enorm applikationer i elbiler og luftfart."

Pandey er enig og fremhæver dens anvendelighed for rumsektoren.

"Hvis man laver en kubisk satellit ud af denne komposit, vil satellitten blive let i vægt og vil hjælpe med at eliminere den tunge batteripakke," siger han. "Dette kan spare tusindvis af dollars pr. opsendelse. Ydermere kan fri volumen opnået ved at fjerne store batterier hjælpe med at pakke flere sensorer og testudstyr ind, hvilket øger satellittens funktionalitet," siger Pandey. "Hybridadfærd med superkondensator og batteri er ideel til cubesats, da den kan oplades på få minutter, når en satellit kredser over den soloplyste side af Jorden.

Roberson siger, at teknologien i øjeblikket er på et teknologisk parathedsniveau på fem, hvilket betyder, at den er blevet testet i et relevant miljø, før det går over til at blive testet i et virkeligt miljø, såsom på en rumflyvning, hvilket ville være niveau seks test.

For at bestå det sidste testniveau, niveau ni, og nå det kommercielle miljø, vil det kræve yderligere udvikling og test med fokus på kommercielle applikationer, siger han. + Udforsk yderligere

Den skjulte adfærd af superkondensatormaterialer