碳纤维结构电池为轻型节能汽车铺平道路

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当汽车、飞机、轮船或电脑采用既可用作电池又可用作承重结构的材料制成时，重量和能耗将大幅降低。瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组正在展示一项世界领先的所谓无质量储能技术进展——一种结构电池，它可以将笔记本电脑的重量减半，使手机变得像信用卡一样薄，或者在一次充电后将电动汽车的行驶里程提高 70%。
“我们成功制造出一种由碳纤维复合材料制成的电池，这种电池的硬度与铝一样高，能量密度也足够高，可以投入商业使用。就像人体骨骼一样，这种电池同时具有多种功能，”查尔姆斯大学研究员 Richa Chaudhary 说道，他是最近在《先进材料》上发表的一篇文章的第一作者。
查尔姆斯理工大学多年来一直在研究结构电池，部分阶段还与瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院的研究人员合作。2018年，莱夫·阿斯普教授及其同事发表了关于坚硬、坚固的碳纤维如何以化学方式储存电能的首批成果，这一进展引起了广泛关注。
碳纤维可作为锂离子电池电极的消息迅速传开，并被《物理世界》评为当年十大突破之一。
体重越轻，所需能量越少
此后，研究小组进一步发展了其概念，以提高刚度和能量密度。上一个里程碑是在 2021 年实现的，当时电池的能量密度为每千克 24 瓦时 (Wh/kg)，这意味着相当于同类锂离子电池容量的约 20%。
现在已达到 30 Wh/kg。虽然这仍然低于今天的电池，但情况却大不相同。当电池成为结构的一部分，并且也可以由轻质材料制成时，车辆的整体重量将大大减轻。那么，运行电动汽车所需的能量就远没有那么多了。
所开发的电池概念基于复合材料，正极和负极均采用碳纤维，其中正极涂有磷酸铁锂。电极材料中使用的碳纤维具有多种功能。在阳极，它充当增强材料，以及电收集器和活性材料。在阴极，它充当增强材料、集电器和锂构建的支架。在图中，细电流连接器连接到电极上。图片来源：查尔姆斯理工大学 | Henrik Sandsjö
“如果我们要节约能源并为子孙后代考虑，投资轻型节能汽车是理所当然的事。我们对电动汽车进行了计算，结果表明，如果电动汽车采用具有竞争力的结构电池，它们的行驶时间可以比现在延长 70%。”研究负责人、查尔姆斯大学工业与材料科学系教授 Leif Asp 说道。
当然，对于汽车而言，对设计的要求很高，要足够坚固以满足安全要求。在这方面，研究团队的结构电池单元的刚度显著提高，更具体地说，弹性模量（以吉帕斯卡 (GPa) 为单位）从 25 提高到 70。这意味着这种材料可以像铝一样承载负载，但重量更轻。
“从多功能特性来看，新电池的性能比上一代电池好两倍，实际上是世界上最好的电池，”自 2007 年以来一直研究结构电池的 Leif Asp 说道。
迈向商业化的几个步骤
从一开始，我们的目标就是实现能够使该技术商业化的性能。在继续进行研究的同时，我们通过新成立的 Chalmers Venture 公司 Sinonus AB（总部位于瑞典 Borås）加强了与市场的联系。
然而，在电池从小规模实验室制造发展到为我们的技术产品或车辆大规模生产之前，还有大量的工程工作要做。
“可以想象，最接近的可能是信用卡般薄的手机或重量只有现在一半的笔记本电脑。汽车或飞机上的电子设备等部件也可能由结构电池供电。要满足运输业具有挑战性的能源需求，需要大量投资，但这也是该技术可以发挥最大作用的地方，”Leif Asp 表示，他注意到汽车和航空航天业对此表现出极大兴趣。
查尔姆斯理工大学的研究人员成功制造出一种由碳纤维复合材料制成的电池，这种电池的硬度与铝一样高，能量密度也足够高，可以投入商业使用。当汽车、飞机、轮船或计算机采用一种既能用作电池又能用作承重结构的材料制造时，重量和能耗就会大大降低。图片来源：查尔姆斯理工大学 | Henrik Sandsjö
有关研究和结构电池的更多信息
结构电池是一种除了储存能量之外还能承载负载的材料。通过这种方式，电池材料可以成为产品实际结构材料的一部分，这意味着电动汽车、无人机、手持工具、笔记本电脑和手机等产品的重量可以大大减轻。
该领域的最新进展发表在《揭开多功能碳纤维结构电池的面纱》一文中，作者是查尔姆斯理工大学的 Richa Chaudhary、Johanna Xu、Zhenyuan Xia 和 Leif Asp。
所开发的电池概念基于复合材料，正极和负极均采用碳纤维，其中正极涂有磷酸铁锂。当提出之前的电池概念时，正极的核心是由铝箔制成的。
电极材料中使用的碳纤维具有多种功能。在阳极，它充当增强材料，以及电收集器和活性材料。在阴极，它充当增强材料、集电器和锂构建的支架。
由于碳纤维可以传导电子电流，因此对由铜或铝（例如）制成的集电器的需求减少了，从而进一步减轻了整体重量。所选的电极设计中也不需要任何所谓的冲突金属，例如钴或锰。
在电池中，锂离子通过半固体电解质而不是液体电解质在电池端子之间传输，这对于获得高功率来说是一个挑战，因此需要进行更多研究。同时，该设计有助于提高电池单元的安全性，降低火灾风险。