Först att doktorera på strukturella batterier

​David Carlstedt har under sin doktorandtid ingått i det forskningsteam som under 2021 kunde visa upp ett kolfiberbaserat strukturellt batteri med oöverträffade multifunktionella egenskaper. Mycket forskning ligger bakom genombrottet och arbetet har skett över flera vetenskapliga discipliner och akademiska institutioner. I en del av projektet ville man ta fram en fungerande prototyp. David ingick i ett stort interdisciplinärt team som fått i uppdrag att bygga och testa en sådan prototyp.

– Jag har nog efterhand byggt och testat nära 100 batterier. När ett av dem till slut fungerade samt visade värden som aldrig tidigare uppmätts så trodde jag först inte att det var sant. Det var en riktigt häftig känsla när jag förstod att vi lyckats ta fram ett så pass bra och unikt strukturellt batteri, säger David.

Strukturella batterier har också kommit att beskrivas som ”viktlös energilagring”. Det kan förklaras med att när energilagringen blir en del av den bärande strukturen så ”försvinner” också den vikt och plats som batteriet tidigare tagit upp. Detta innebär i sin tur mindre materialåtgång till samma typ av konstruktion, vilket leder till ytterligare viktbesparingar. En annan fördel är att det strukturella batteriet också är formbart och skulle kunna användas till att bygga till exempel bilkarosser, cykelramar eller luftfarkoster.

– Om man ser hur en modern smartphone är konstruerad så är det, förutom diverse elektronik, i stora drag ett eller flera batterier med ett skyddande och bärande material runtom. Om energilagring i stället integreras i själva skalet skulle den kunna bli tunnare och lättare, samt möjliggöra för nya innovativa designlösningar. Applicerar man sedan den här tekniken på fordon och luftfarkoster så kan man göra betydande effektiviseringar, eftersom vikten har en så avgörande roll på energiförbrukningen vid transporter, säger David.

 
Fysikaliska processer som påverkar varandra – en utmaning i strukturella batterier

Tekniken kring strukturella batterier har många fördelar, men det har också sina utmaningar. Avgörande för att förstå hur ett material eller batteri beter sig är att kunna beräkna de fysikaliska jämviktsprocesserna för elektrisk laddning, mekanisk last, värme och masstransport. För att till exempel undvika överhettning i ett batteri så måste man kunna göra exakta beräkningar av de värmeeffekter som sker.

Att göra beräkningar för fysikalisk jämvikt i både batterier och konstruktionsmaterial var för sig finns det idag god kunskap och väl etablerade beräkningsmodeller för. Men om batteri och konstruktionsmaterial blir ett och samma ökar komplexiteten när de olika fysikaliska processerna påverkar varandra. På engelska kallas detta för ”coupling effects”. I ett strukturellt batteri så innebär det bland annat att de elektrokemiska processerna, alltså själva batterifunktionen, påverkar den bärande förmågan, och att de mekaniska lasterna i sin tur påverkar de elektrokemiska processerna.
 
– I min forskning så har jag studerat olika kopplingseffekter mellan de fysikaliska processerna och utvecklat nya beräkningsmodeller som kan användas för att förstå det strukturella batteriets beteende. Vi har applicerat och kombinerat inomvetenskapliga metoder. Exempelvis har vi använt oss av befintliga metoder för att lösa komplexa matematiska problem samt strategier för att beskriva de fysikaliska processerna och kopplingarna. Till viss del finns sådana här kopplade effekter i olika strukturer i naturen, men materialet vi använder för det strukturella batteriet är unikt i sitt slag. Därför har det heller inte funnits något behov att kunna räkna på just detta problem tidigare, förklarar David.

 
Om framtiden

Leif Asp leder forskningen kring strukturella batterier på Chalmers, och han har goda förhoppningar om att ytterligare framsteg kommer att göras inom den närmaste tiden.

– Det har hänt väldig mycket den senaste tiden både i form av vetenskapliga framsteg och intresse. Nu har vi också utbildat vår första doktorand med fokus på strukturella batterier. Företag från hela världen har kontaktat oss så det finns ett enormt intresse kring den här tekniken. Vi är redan i nytt projekt där vi hoppas kunna få fram ett strukturellt batteri som är ungefär lika starkt som aluminium, och med en mycket högre energitäthet än hos det nuvarande strukturbatteriet. Resultaten hoppas vi kunna presentera inom det närmaste året, säger Leif Asp.
 
David Carlstedt har haft Leif Asp som handledare under doktorandtiden, och han spår David en mycket ljus framtid.

– Vi är jätteglada att kunna utbilda tvärs över disciplinerna i ett sådant här projekt. David har fått en otrolig vana vid att jobba i tvärvetenskapliga sammanhang, och hans kunskaper kommer att vara väldigt eftertraktade både inom akademin och industrin, säger Leif.
 
Efter sina doktorandstudier kommer David att börja jobba med struktur-batterisimuleringar på Volvo Cars. David ser mycket framemot detta nya spännande uppdrag och tror sig få stor användning av sina kunskaper införskaffade under doktorandtiden. Inom bilindustrin pågår det just nu ett omfattande skifte mot eldrift och batterier spelar en nyckelroll i detta. David ser detta därför som ett väldigt spännande område att fortsätta sin resa inom. Han spekulerar också kring framtida användningsområden för strukturella batterier.

– Framtidens eldrift kommer kanske att bestå av flera olika typer av lösningar beroende på användningsområde. I satelliter och små luftfarkoster, där låg vikt är väldigt eftertraktat, så skulle man kunna tänka sig att vår typ av formbara kolfiberbaserade strukturella batteri vore en passande lösning. I en elbil så kan man tänkas sig att vissa delar av karossen eller interiören byggs med strukturella batterier för att till exempel driva fönsterhissar, ljudanläggning eller liknande. Vad som händer beror ju också på hur man väljer att satsa på detta från industrins håll. Det ska i alla fall bli väldigt spännande att följa utvecklingen, och förhoppningsvis vara en del av den, säger David.
 
David Carlstedt disputerade den 17 mars 2022 med doktorsavhandlingen Computational modelling of structural battery composites.