R.E.News future Technology-Revolutionary Structural Batteries are the Future for Lightweight Vehicles

16/09/24-FR-English-NL-footer

Les batteries structurelles révolutionnaires sont l’avenir des véhicules légers

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Imaginez un monde où les voitures, les avions et même votre smartphone sont plus légers, plus efficaces et incroyablement puissants, tout cela grâce à une seule innovation révolutionnaire : la batterie structurelle.

Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers en Suède ont développé la batterie structurelle la plus puissante au monde, intégrant le stockage d'énergie directement dans les matériaux de construction des appareils et des véhicules. Cette avancée pourrait réduire considérablement le poids des produits, réduire la consommation d’énergie et révolutionner notre façon de concevoir l’énergie.
Une batterie qui est aussi un élément de base

Le concept derrière la batterie structurelle est aussi ingénieux que transformateur. Contrairement aux batteries traditionnelles qui stockent simplement de l’énergie, les batteries structurelles servent également de composants porteurs, fonctionnant un peu comme un squelette dans le corps humain. En intégrant la batterie directement dans le matériau de l'appareil ou du véhicule, le besoin de sources d'alimentation séparées est éliminé, ouvrant la voie à des conceptions nettement plus légères et plus économes en énergie.

Le chercheur principal Richa Chaudhary, de l'Université de technologie Chalmers, souligne le double avantage : « Nous avons réussi à créer une batterie en composite de fibre de carbone aussi rigide que l'aluminium et suffisamment dense en énergie pour être utilisée commercialement. Tout comme un squelette humain, la batterie remplit plusieurs fonctions à la fois. Cette multifonctionnalité signifie que non seulement la batterie stocke de l’énergie, mais qu’elle supporte également les charges structurelles, réduisant considérablement le poids total.
Redéfinir le stockage d’énergie : des ordinateurs portables aux voitures électriques

Les applications potentielles de cette technologie sont vastes. Imaginez des ordinateurs portables qui pèsent deux fois moins, des smartphones aussi fins qu'une carte de crédit et des voitures électriques avec une autonomie 70 % plus longue avec une seule charge. Tout cela devient possible grâce aux batteries structurelles, qui modifient fondamentalement la conception et les performances des appareils du quotidien.

La recherche sur les batteries structurelles est en cours à Chalmers depuis plusieurs années, avec les premières études en collaboration avec le KTH Royal Institute of Technology de Stockholm. L'équipe, dirigée par le professeur Leif Asp, a fait la une des journaux pour la première fois en 2018 lorsqu'elle a démontré que les fibres de carbone pouvaient stocker de l'énergie électrique, une découverte reconnue comme l'une des dix principales avancées de l'année par Physics World. Depuis, leur travail a évolué et la dernière version de la batterie structurelle affiche une densité énergétique de 30 Wh/kg, encore inférieure aux batteries lithium-ion traditionnelles mais avec une différence cruciale : la batterie elle-même fait partie de la structure de l'appareil.

Asp explique les implications : « Investir dans des véhicules légers et économes en énergie est une évidence si nous voulons économiser de l'énergie et penser aux générations futures. Nous avons effectué des calculs sur les voitures électriques qui montrent qu’elles pourraient rouler jusqu’à 70 % plus longtemps qu’aujourd’hui si elles disposaient de batteries structurelles compétitives.
La force rencontre le stockage d’énergie : l’ingénierie derrière tout cela

Créer une batterie pouvant également servir de composant structurel n’est pas une mince affaire, surtout lorsque les véhicules doivent répondre à des normes de sécurité strictes. La dernière itération de la batterie structurelle de Chalmers a amélioré non seulement sa densité énergétique, mais également sa rigidité, atteignant un module élastique de 70 gigapascals (GPa), comparable à celui de l'aluminium. Cette combinaison de résistance et de fonctionnalité est essentielle pour les applications dans les industries automobile et aérospatiale, où la réduction du poids et l'intégrité structurelle sont primordiales.

En termes de propriétés multifonctionnelles, Asp note : « La nouvelle batterie est deux fois plus performante que son prédécesseur et en fait la meilleure jamais fabriquée au monde. » Cette performance remarquable est obtenue grâce à l'utilisation de fibre de carbone comme électrodes positives et négatives, l'électrode positive étant recouverte de phosphate de fer et de lithium. La fibre de carbone joue de multiples rôles, agissant comme renfort, collecteur électrique et échafaudage pour les ions lithium, tout en conduisant le courant électronique.
Combler le fossé entre le laboratoire et le marché

Même si le potentiel des batteries structurelles est clair, il reste encore du travail à faire avant qu’elles ne deviennent une réalité commerciale. Passer de la production en laboratoire à la fabrication de masse nécessitera des efforts d’ingénierie et des investissements importants. Cependant, les chercheurs sont optimistes, ayant renforcé leurs liens avec le marché grâce à la création de Sinonus AB, une société Chalmers Venture basée à Borås, en Suède, dédiée à donner vie à cette technologie.

Le professeur Asp envisage les premières applications dans l'électronique grand public, où les avantages d'un poids réduit et d'une efficacité énergétique accrue sont immédiatement tangibles. « On peut imaginer que les téléphones portables ou les ordinateurs portables minces comme une carte de crédit, qui pèsent deux fois moins qu'aujourd'hui, sont les plus proches dans le temps. Il se pourrait également que des composants tels que l’électronique des voitures ou des avions soient alimentés par des batteries structurelles », dit-il, soulignant le large éventail d’utilisations potentielles.

Le chemin vers la commercialisation n'est pas sans défis, mais l'intérêt des secteurs de l'automobile et de l'aérospatiale est un signe prometteur que les batteries structurelles pourraient bientôt passer du concept à la réalité.
La voie à suivre : les batteries structurelles utilisées au quotidien

Alors que la demande de solutions légères et économes en énergie continue de croître, les batteries structurelles offrent une réponse incontournable. Leur capacité à combiner stockage d’énergie et résistance structurelle pourrait redéfinir la façon dont nous concevons tout, des gadgets grand public aux véhicules, conduisant à des produits non seulement plus efficaces mais également plus durables.

La recherche, publiée dans la revue Advanced Materials, présente les dernières avancées dans la technologie des batteries structurelles, qui incluent le remplacement des collecteurs de courant traditionnels par de la fibre de carbone, éliminant ainsi le besoin de métaux lourds comme le cuivre et l'aluminium. Cela réduit non seulement le poids total, mais évite également l’utilisation de matériaux conflictuels tels que le cobalt ou le manganèse, rendant la technologie encore plus respectueuse de l’environnement.

Financés par le programme WISE (Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability), ces travaux repoussent les limites de ce qui est possible en matière de stockage d'énergie. L'électrolyte semi-solide utilisé dans la conception des batteries améliore également la sécurité en réduisant le risque d'incendie, un facteur critique alors que les industries cherchent à remplacer les batteries conventionnelles par des alternatives plus sûres.
Une nouvelle norme pour les solutions énergétiques durables

Les travaux pionniers de l'Université de technologie Chalmers sur les batteries structurelles sont plus qu'une simple réussite académique : c'est un aperçu de l'avenir de la conception économe en énergie. En fusionnant les rôles de source d’énergie et de matériau structurel, ces batteries devraient avoir un impact profond sur plusieurs industries.

Grâce à des recherches et des investissements continus, les batteries structurelles pourraient bientôt devenir un élément standard de notre vie quotidienne, alimentant des appareils et des véhicules d'une manière que nous n'avions jamais imaginée. La combinaison d'un poids réduit, d'une efficacité accrue et d'une multifonctionnalité répond non seulement à la demande croissante de technologies plus vertes, mais établit également une nouvelle référence en matière d'innovation dans le stockage d'énergie.
NJC.© Info Chalmers University of Technology

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16/09/24-English

Revolutionary Structural Batteries are the Future for Lightweight Vehicles

Image- Chalmers University of Technology

Imagine a world where cars, planes, and even your smartphone are lighter, more efficient, and incredibly powerful—all thanks to a single, game-changing innovation: the structural battery.

Researchers at Chalmers University of Technology in Sweden have developed the world’s strongest structural battery, integrating energy storage directly into the construction materials of devices and vehicles. This breakthrough could drastically reduce the weight of products, cut energy consumption, and revolutionise the way we think about power.
A Battery That’s Also a Building Block

The concept behind the structural battery is as ingenious as it is transformative. Unlike traditional batteries that merely store energy, structural batteries double as load-bearing components, functioning much like a skeleton in the human body. By integrating the battery directly into the material of the device or vehicle, the need for separate power sources is eliminated, paving the way for significantly lighter and more energy-efficient designs.

Lead researcher Richa Chaudhary, from Chalmers University of Technology, highlights the dual benefits: “We have succeeded in creating a battery made of carbon fibre composite that is as stiff as aluminium and energy-dense enough to be used commercially. Just like a human skeleton, the battery has several functions at the same time.” This multifunctionality means that not only does the battery store energy, but it also supports structural loads, drastically reducing the overall weight.
Redefining Energy Storage: From Laptops to Electric Cars

The potential applications for this technology are vast. Imagine laptops that weigh half as much, smartphones that are as thin as a credit card, and electric cars with a 70% longer driving range on a single charge. All of this becomes possible with structural batteries, which fundamentally alter the design and performance of everyday devices.

Research into structural batteries has been ongoing at Chalmers for several years, with early studies in collaboration with KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. The team, led by Professor Leif Asp, first made headlines in 2018 when they demonstrated that carbon fibres could store electrical energy, a discovery recognised as one of the year’s top ten breakthroughs by Physics World. Since then, their work has evolved, and the latest version of the structural battery boasts an energy density of 30 Wh/kg—still below traditional lithium-ion batteries but with a crucial difference: the battery itself is part of the device’s structure.

Asp explains the implications: “Investing in light and energy-efficient vehicles is a matter of course if we are to economise on energy and think about future generations. We have made calculations on electric cars that show they could drive for up to 70 percent longer than today if they had competitive structural batteries.”
Strength Meets Energy Storage: The Engineering Behind It

Creating a battery that can also serve as a structural component is no small feat, especially when vehicles must meet stringent safety standards. The latest iteration of Chalmers’ structural battery has improved not just in energy density but also in stiffness, achieving an elastic modulus of 70 gigapascals (GPa), comparable to aluminium. This combination of strength and functionality is critical for applications in automotive and aerospace industries, where weight reduction and structural integrity are paramount.

In terms of multifunctional properties, Asp notes: “The new battery is twice as good as its predecessor—and actually the best ever made in the world.” This remarkable performance is achieved through the use of carbon fibre as both the positive and negative electrodes, with the positive electrode coated in lithium iron phosphate. The carbon fibre plays multiple roles, acting as a reinforcement, electrical collector, and scaffolding for lithium ions, all while conducting the electron current.
Bridging the Gap Between Lab and Market

While the potential of structural batteries is clear, there’s still work to be done before they become a commercial reality. Scaling up from laboratory production to mass manufacturing will require significant engineering efforts and investment. However, the researchers are optimistic, having strengthened ties with the market through the formation of Sinonus AB, a Chalmers Venture company based in Borås, Sweden, dedicated to bringing this technology to life.

Professor Asp envisions the initial applications in consumer electronics, where the benefits of reduced weight and increased energy efficiency are immediately tangible. “One can imagine that credit card-thin mobile phones or laptops that weigh half as much as today are the closest in time. It could also be that components such as electronics in cars or planes are powered by structural batteries,” he says, highlighting the broad scope of potential uses.

The path to commercialisation isn’t without challenges, but the interest from the automotive and aerospace sectors is a promising sign that structural batteries could soon move from concept to reality.
The Road Ahead: Structural Batteries in Everyday Use

As the demand for lightweight and energy-efficient solutions continues to grow, structural batteries offer a compelling answer. Their ability to combine energy storage with structural strength could redefine how we design everything from consumer gadgets to vehicles, leading to products that are not only more efficient but also more sustainable.

The research, published in the journal Advanced Materials, outlines the latest advancements in structural battery technology, which include replacing traditional current collectors with carbon fibre, thus eliminating the need for heavy metals like copper and aluminium. This not only reduces the overall weight but also avoids the use of conflict materials such as cobalt or manganese, making the technology even more environmentally friendly.

Funded by the Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE) programme, this work is pushing the boundaries of what’s possible in energy storage. The semi-solid electrolyte used in the battery design also enhances safety by reducing the risk of fire—a critical factor as industries look to replace conventional batteries with safer alternatives.
A New Standard for Sustainable Energy Solutions

Chalmers University of Technology’s pioneering work on structural batteries is more than just an academic achievement—it’s a glimpse into the future of energy-efficient design. By merging the roles of power source and structural material, these batteries are set to make a profound impact across multiple industries.

With continued research and investment, structural batteries could soon become a standard feature in our everyday lives, powering devices and vehicles in ways we’ve never imagined. The combination of reduced weight, increased efficiency, and multifunctionality not only meets the growing demand for greener technologies but also sets a new benchmark for innovation in energy storage.
NJC.© Info Chalmers University of Technology

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16/09/24-NL

Revolutionaire structurele batterijen zijn de toekomst voor lichtgewicht voertuigen

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Stel je een wereld voor waarin auto's, vliegtuigen en zelfs je smartphone lichter, efficiënter en ongelooflijk krachtig zijn, allemaal dankzij één enkele, baanbrekende innovatie: de structurele batterij.

Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden hebben de sterkste structurele batterij ter wereld ontwikkeld, waarbij energieopslag rechtstreeks in de constructiematerialen van apparaten en voertuigen is geïntegreerd. Deze doorbraak zou het gewicht van producten drastisch kunnen verminderen, het energieverbruik kunnen verminderen en de manier waarop we over energie denken radicaal kunnen veranderen.
Een batterij die ook een bouwsteen is

Het concept achter de structurele batterij is even ingenieus als transformatief. In tegenstelling tot traditionele batterijen die alleen maar energie opslaan, fungeren structurele batterijen ook als dragende componenten en functioneren ze ongeveer als een skelet in het menselijk lichaam. Door de batterij rechtstreeks in het materiaal van het apparaat of voertuig te integreren, wordt de noodzaak voor afzonderlijke stroombronnen geëlimineerd, wat de weg vrijmaakt voor aanzienlijk lichtere en energiezuinigere ontwerpen.

Hoofdonderzoeker Richa Chaudhary, van de Chalmers University of Technology, benadrukt de dubbele voordelen: “We zijn erin geslaagd een batterij te maken van koolstofvezelcomposiet die zo stijf is als aluminium en energiedicht genoeg is om commercieel te worden gebruikt. Net als een menselijk skelet heeft de batterij meerdere functies tegelijk.” Deze multifunctionaliteit betekent dat de batterij niet alleen energie opslaat, maar ook structurele belastingen ondersteunt, waardoor het totale gewicht drastisch wordt verminderd.
Een nieuwe definitie van energieopslag: van laptops tot elektrische auto's

De potentiële toepassingen voor deze technologie zijn enorm. Denk aan laptops die de helft wegen, smartphones die zo dun zijn als een creditcard en elektrische auto's met een 70% groter rijbereik op één acculading. Dit alles wordt mogelijk met structurele batterijen, die het ontwerp en de prestaties van alledaagse apparaten fundamenteel veranderen.

Bij Chalmers wordt al enkele jaren onderzoek gedaan naar structurele batterijen, met vroege studies in samenwerking met het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. Het team, onder leiding van professor Leif Asp, haalde voor het eerst het nieuws in 2018 toen ze aantoonden dat koolstofvezels elektrische energie kunnen opslaan, een ontdekking die door Physics World wordt erkend als een van de tien doorbraken van het jaar. Sindsdien is hun werk geëvolueerd en heeft de nieuwste versie van de structurele batterij een energiedichtheid van 30 Wh/kg – nog steeds lager dan traditionele lithium-ionbatterijen, maar met een cruciaal verschil: de batterij zelf maakt deel uit van de structuur van het apparaat.

Asp legt de implicaties uit: “Investeren in lichte en energiezuinige voertuigen is vanzelfsprekend als we energie willen besparen en aan toekomstige generaties willen denken. We hebben berekeningen gemaakt met elektrische auto’s waaruit blijkt dat ze tot 70 procent langer zouden kunnen rijden dan nu als ze concurrerende structurele batterijen hadden.”
Kracht ontmoet energieopslag: de techniek erachter

Het creëren van een batterij die ook als structureel onderdeel kan dienen is geen sinecure, vooral wanneer voertuigen aan strenge veiligheidsnormen moeten voldoen. De nieuwste versie van de structurele batterij van Chalmers is niet alleen verbeterd in energiedichtheid, maar ook in stijfheid, waardoor een elastische modulus van 70 gigapascal (GPa) is bereikt, vergelijkbaar met aluminium. Deze combinatie van sterkte en functionaliteit is van cruciaal belang voor toepassingen in de auto- en ruimtevaartindustrie, waar gewichtsvermindering en structurele integriteit van het grootste belang zijn.

Wat de multifunctionele eigenschappen betreft, merkt Asp op: “De nieuwe batterij is twee keer zo goed als zijn voorganger – en eigenlijk de beste die ooit ter wereld is gemaakt.” Deze opmerkelijke prestatie wordt bereikt door het gebruik van koolstofvezel als positieve en negatieve elektroden, waarbij de positieve elektrode is gecoat met lithiumijzerfosfaat. De koolstofvezel speelt meerdere rollen: hij fungeert als versterking, elektrische collector en steiger voor lithiumionen, terwijl hij tegelijkertijd de elektronenstroom geleidt.
De kloof tussen laboratorium en markt overbruggen

Hoewel het potentieel van structurele batterijen duidelijk is, moet er nog werk worden verzet voordat ze een commerciële realiteit worden. Het opschalen van laboratoriumproductie naar massaproductie zal aanzienlijke technische inspanningen en investeringen vergen. De onderzoekers zijn echter optimistisch, omdat ze de banden met de markt hebben versterkt door de oprichting van Autreus AB, een Chalmers Venture-bedrijf gevestigd in Borås, Zweden, dat zich toelegt op het tot leven brengen van deze technologie.

Professor Asp voorziet de eerste toepassingen in consumentenelektronica, waar de voordelen van een lager gewicht en een grotere energie-efficiëntie onmiddellijk tastbaar zijn. “Je kunt je voorstellen dat creditcarddunne mobiele telefoons of laptops die de helft van het gewicht van vandaag wegen, qua tijd het dichtst in de buurt komen. Het kan ook zijn dat componenten zoals elektronica in auto's of vliegtuigen worden aangedreven door structurele batterijen”, zegt hij, waarbij hij de brede reikwijdte van de mogelijke toepassingen benadrukt.

Het pad naar commercialisering is niet zonder uitdagingen, maar de belangstelling van de automobiel- en ruimtevaartsector is een veelbelovend teken dat structurele batterijen binnenkort van concept naar realiteit kunnen gaan.
De weg vooruit: structurele batterijen in dagelijks gebruik

Terwijl de vraag naar lichtgewicht en energiezuinige oplossingen blijft groeien, bieden structurele batterijen een overtuigend antwoord. Hun vermogen om energieopslag te combineren met structurele kracht zou de manier waarop we alles ontwerpen, van consumentengadgets tot voertuigen, opnieuw kunnen definiëren, wat zou kunnen leiden tot producten die niet alleen efficiënter maar ook duurzamer zijn.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials, schetst de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van structurele batterijtechnologie, waaronder het vervangen van traditionele stroomcollectoren door koolstofvezel, waardoor de behoefte aan zware metalen zoals koper en aluminium wordt geëlimineerd. Dit vermindert niet alleen het totale gewicht, maar vermijdt ook het gebruik van conflicterende materialen zoals kobalt of mangaan, waardoor de technologie nog milieuvriendelijker wordt.

Dit werk, gefinancierd door het Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE)-programma, verlegt de grenzen van wat mogelijk is op het gebied van energieopslag. De halfvaste elektrolyt die in het batterijontwerp wordt gebruikt, verbetert ook de veiligheid door het risico op brand te verminderen – een cruciale factor nu industrieën conventionele batterijen willen vervangen door veiligere alternatieven.
Een nieuwe standaard voor duurzame energieoplossingen

Het baanbrekende werk van Chalmers University of Technology op het gebied van structurele batterijen is meer dan alleen een academische prestatie: het is een kijkje in de toekomst van energie-efficiënt ontwerp. Door de rol van energiebron en structureel materiaal samen te voegen, zullen deze batterijen een diepgaande impact hebben in meerdere industrieën.

Met voortdurend onderzoek en investeringen zouden structurele batterijen binnenkort een standaardfunctie in ons dagelijks leven kunnen worden, waardoor apparaten en voertuigen van stroom kunnen worden voorzien op manieren die we ons nooit hadden kunnen voorstellen. De combinatie van een lager gewicht, een grotere efficiëntie en multifunctionaliteit komt niet alleen tegemoet aan de groeiende vraag naar groenere technologieën, maar zet ook een nieuwe maatstaf voor innovatie op het gebied van energieopslag.
NJC.© Info Chalmers University of Technology

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