Lightweight multifunctional composites : An investigation into ion-inserted carbon fibres for structural energy storage, shape-morphing, energy harvesting & strain-sensing

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
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 inlagring