نبذة مختصرة : The transport sector accounts for around 26% of all greenhouse gas emissions in the European Union and United Kingdom. By reducing the mass of vehicles it is possible to reduce these emissions substantially.One way to reduce vehicle mass is to use multifunctional structures.An investigation is conducted into the development of lightweight multifunctional composites based on carbon fibres (CFs) that have been activated using ion-insertion. CF composites are already known to have good structural properties - and this research focusses on augmenting fibres with the added functionalities of energy storage, shape-morphing, energy harvesting, and strain-sensing.This work builds on previous research focusing on structural batteries using lithium-inserted CFs. Here, sodium and potassium insertion in intermediate modulus polyacrylonitrile (PAN)-based CFs is investigated. These elements are more abundant globally than lithium, and so can be considered more sustainable. They also have larger atomic radii than lithium, which could give rise to desirable functionalities. The galvanostatic profiles and capacities of sodium and potassium insertion in CFs are reported, as well as the effect on the CF mechanical properties. It is found that sodium and potassium insert with lower capacities than lithium in PAN-based CFs. The mechanical stiffness remains largely unchanged by sodium and potassium insertion, although the mechanical strength drops by up to 28% at full charge for sodium insertion. This strength drop is partially reversible when the CFs are discharged, recovering to 94% of their original strength.Axial expansion of the CFs during ion-insertion is also measured. It is found that expansions up to 0.09% and 0.24% occur for sodium and potassium insertion respectively. This is less than the 0.7% observed previously for lithium insertion in the same CFs.An analytical model to simulate ion-expansions in laminated structural battery composites is developed based on classical laminate plate theory (CLPT). Ion-expansions are treated as analogous to thermal expansions. It is found that it is possible to suppress global deformations and reduce interlaminar stresses by altering the layup sequence of negative and positive electrode layers. It is also found that it is possible to tailor the kinds deformations that can be achieved by altering the ply orientations.A concept for a shape-morphing composite laminate is developed, consisting of two layers of CF either side of a separator, embedded in a structural battery electrolyte matrix. Lithium ions are transferred from one CF layer to the other, causing one layer to contract and the other to expand. This creates a bending deformation. It is demonstrated that the morphing laminate is capable of deforming at low voltages and currents, and exhibiting a zero-power hold. The frequency of deformation is, however, limited by the ion diffusion process.A voltage-strain coupling arises when CFs are inserted with ions known as the piezoelectrochemical transducer (PECT) effect. It is has been proposed that the PECT effect could be used to create strain-sensing and energy harvesting structures. This coupling is measured in sodium and potassium inserted CFs and found to reach a maximum coupling factor of 0.26 V/unit strain for potassiated fibres. This is considerably lower than the coupling factor for lithiated fibres. The same laminated composite structure used for the morphing study is used to investigate the PECT effect in a structural composite. Using this setup it is possible to characterise the compressive PECT effect in CFs for the first time. It is found that the compressive PECT effect is equal in magnitude but opposite in sign to the tensile effect. This means that by using bending it is possible to achieve a larger potential difference between a simultaneously compressed and tensioned CF layer. This is advantageous for applications in strain-sensing and energy harvesting.Energy harvesting using a lithium-activated CF laminate is also demonstrated. The study uses the same laminate structure used for the morphing study. By enforcing known constant-curvature bending on the laminate, a current is generated. A specific power of 18 nW/g is achieved, showing promise for structural energy harvesting composites.Overall, it is shown that ion-inserted CFs can be used to create several different functionalities in composite structures. By incorporating such multifunctional components into vehicles it will be possible to save mass on a systems-level. Although there is still much development to be done, this study shows the diverse potential in multifunctional composites using ion-insertion, and lays the foundation from which these technologies can be progressed.
Transportindustrin producerar omkring 26% av alla växthusgasutsläpp i EU och Storbritannien. Ett sätt att kraftigt reducera dessa utsläpp är genom att minska fordonsvikten. Fordonsvikten kan minskas genom att använda multifunktionella material och strukturer.En undersökning är genomförd som studerar lätta multifunktionella kompositmaterial baserade på kolfibrer aktiverade med litiumjoner. Kolfiberkompositer har bra mekaniska egenskaper som är välkända och passar till en mångfald av olika tillämpningar inom lättkonstruktion. Men kolfibrer har också visat sig ha flera andra egenskaper som gör dem lämpliga till energilagring, formändring, energiomvandling och töjningssensorer.Den här studien bygger på forskning om strukturella batterier baserade på kolfibrer inlagrade med litiumjoner. En undersökning med fokus på inlagring av natrium- och kaliuminjoner i polyakrylnitril (PAN)-baserade kolfibrer är genomförd. Dessa metaller är mer förekommande i jordens yta än litium och kan därför anses vara mer hållbara. Dessutom har de större atomradie än litium vilket kan vara gynnsamt för vissa funktionaliteter.Galvanostatiska profiler och elektrokemiska kapaciteter ges för natrium och kaliuminlagring i kolfibrer samt effekten av jonernas inlagring på kolfibrers mekaniska egenskaper. Både natrium- och kaliumjoner inlagras med lägre kapacitet än litium i PAN-baserade kolfibrer. Styvheten på kolfibrerna förblir ungefär samma under inlagringsprocessen för alla joner. Däremot minskar hållfastheten med upp till 28% i kolfibrer fulladdade med natrium. Denna minskning är återhämtningsbar till en viss nivå: en urladdad kolfiber har 96% av egentliga styrkan.Längsgående expansionen i kolfibrer vid inlagring av natrium- och kaliumjoner mäts. Expansionen blir 0.09% för natriuminjicering och 0.24% för kaliuminlagring. Det är mindre än den 0.7% expansion som mäts för litiuminlagring i samma kolfiber.En analytisk modell baserad på klassisk laminatteori är utvecklad som kan simulera inlagringsexpansioner i strukturella batterikompositer. Expansionerna behandlas på samma sätt som termiska expansioner. Resultaten visar att det är möjligt att minska globala laminatformändringar och interlaminära spänningar genom att skräddarsy uppläggningssekvensen på anod- och katodlagren. På samma sätt är det också möjligt att skräddarsy formen på de globala formändringarna. Ett koncept för ett kompositlaminat som kan ändra form är framtaget. Det består av två lager litiumdopade kolfibrer med en keramisk separator emellan. Alla tre lager är inbäddade i en strukturell batterielektrolyt vilket möjliggör för joner att transporteras från ett kolfiberlager till det andra. Med hjälp av elektrisk ström är det möjligt att överföra litiumjoner från en sida till den andra. Det gör att ena sidan expanderar längsgående, medan andra sidan krymper, vilket betyder att laminatet böjer sig. Genom att ändra mängd och riktning på strömmen kan man kontrollera hur laminatet böjer sig. När strömmen slås av behåller laminatet sin böjda form, dvs det krävs ingen extra energi för att hålla deformationen. Frekvensen på formändringen är däremot relativt låg på grund av den tröga jontransportprocessen.Piezoelektrokemiska effekten är en spänningstöjningskoppling som uppstår när kolfibrer innehåller joner. Den har mätts för kolfibrer med litiumjoner förut och föreslås kunna användas till strukturella töjningssensorer samt energiomvandling. Kopplingen mäts här för natrium- och kaliumjoner. En maximal kopplingsfaktor på 0.26 V/töjningsmått uppstår med kaliumjoner, vilket är betydligt lägre än för litiumjoner i samma kolfibrer.Kopplingsfaktorn från den piezo-elektrokemiska effekten utreds också för en laminatstruktur. Samma laminatdesign som används för formändringslaminatet används även här. Karakterisering av den kompressiva kopplingsfaktorn mäts för första gången och visas vara av samma storlek som kopplingsfaktorn vid dragbelastning, men med motsatt riktning. Detta möjliggör en större spänningsskillnad mellan dem två kolfiberlagren när laminatet böjs. Det kan vara gynnsamt för framtida töjningssensorer och energiomvandling.Energiomvandling med litiuminlagrade kolfibrer demonstreras. Samma laminatdesign som används för formändringslaminatet används även här. Skräddarsydda klämmor möjliggör att applicera böjning med konstant krökning på laminatet. En specifik elektrisk effekt på 18 nW/g mäts, vilket visar potentialen att använda denna teknologi för energiomvandling.Sammanfattningsvis är det visat att det är möjligt att använda joninlagrade kolfibrer för att skapa flera funktionaliteter i kompositstrukturer. Genom att bygga fordon med sådana komponenter kan man minska vikten på en systemnivå. Trots att det finns mycket forskning kvar att göra inom detta område, finns det onekligen stor potential för multifunktionella kompositer i framtidens strukturer. Den här avhandlingen ger underlag för att fortsätta utveckla denna teknologi.
Processing Request
No Comments.