從電動(dòng)汽車(chē)到無(wú)人機，電池在能量密度和自身重量上一直難以得到很好的平衡。不過(guò)查爾默斯理工大學(xué)的科學(xué)家們，一直在探索這些常規儲能解決方案的有趣替代。比如近日，研究團隊就宣稱(chēng)在“無(wú)質(zhì)量”碳纖維電池項目上取得了重大突破，特點(diǎn)是可以兼作車(chē)輛的電池和結構部件。
結構插圖(來(lái)自：Yen Strandqvist / Chalmers.se)
經(jīng)過(guò)多年的努力，查爾默斯理工大學(xué)的研究團隊終于實(shí)現了這一設想。通過(guò)讓電池兼作結構部件，以減輕整車(chē)的設計重量。
之所以選擇碳纖維在其中扮演重要角色，歸因于眾所周知的機械性能、以及通過(guò)正確的方式進(jìn)行工程設計時(shí)可充當電極材料的能力。
2018 年的時(shí)候，科學(xué)家們發(fā)表了一項研究，描述了一種具有特殊晶體排列的碳纖維。它既可以提供車(chē)輛構造所需的剛度，又可以提供能量存儲所需的電化學(xué)性能。
作為將這項研究專(zhuān)為實(shí)際應用的努力的一部分，科學(xué)家們現已生產(chǎn)出一種碳纖維結構電池，具有較以往任何版本都優(yōu)秀 10 倍的性能。
Johanna Xu 博士向 Leif Asp 展示新型電池(圖自：Marcus Folino)
據悉，該電池由碳纖維制成的負極、以及磷酸鋰鐵涂覆鋁箔制成正極組成，兩者被用作結構電解質(zhì)基質(zhì)的玻璃纖維織物隔開(kāi)。
它既可以像常規電池一樣在電極之間傳輸鋰離子，又有助于將機械負載分散到結構的不同部分?；诖?，研究人員將之稱(chēng)作“無(wú)質(zhì)量”的儲能設備。
從理論上來(lái)說(shuō)，它確實(shí)可以擺脫傳統電池的部分缺點(diǎn) —— 不給車(chē)輛增加任何“額外”的重量。
然而實(shí)際應用方面，還是有一些難以避免的妥協(xié)。比如這種新型電池的能量密度僅為 24 Wh/kg，約為當前鋰離子電池的 20% 。
材料剛度 25 GPa，可與其它常用材料相媲美。
另一方面，如果用這種電池取代經(jīng)典的鋰離子電池、并將之集成到電動(dòng)汽車(chē)中，則整車(chē)重量有望極大地減輕。如此一來(lái)，只需消耗更少的能量，便可驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的行進(jìn)。
項目負責人 Leif Asp 表示：先前制造的結構電池，通常只側重于良好的機械性能、或出色的電氣性能。不過(guò)他們使用碳纖維成功地設計了兼具結構剛性和儲能優(yōu)勢的新型電池。
在性能提升 10 倍后，研究團隊開(kāi)始將精力放到其它新目標上，比如計劃使用碳纖維代替正極中的鋁材料，以進(jìn)一步提升能量和機械性能。此外用更薄的材料取代玻璃纖維織物，以實(shí)現更快的充電。
研究配圖 - 1：結構電池復合材料的制造
Leif Asp 預計，此類(lèi)電池有望達成 75 Wh/kg 的能量密度和 75 GPa 的剛度(與鋁材相當)，但重量卻要輕得多。從電動(dòng)汽車(chē)到消費電子產(chǎn)品，未來(lái)的潛力更是不可估量。
有關(guān)這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《先進(jìn)能源與可持續性研究》期刊上，原標題為《A Structural Battery and its Multifunctional Performance》。
