查爾默斯理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)生產(chǎn)出一種結(jié)構(gòu)電池，其性能比以前的所有版本都要好十倍。它將碳纖維用于電極、導(dǎo)體和承重材料。他們的最新研究突破為在車輛和其他技術(shù)中實現(xiàn) “無質(zhì)量”的能量存儲鋪平了道路。

在新能源汽車中，電池部分占據(jù)了車輛重量的很大一部分，但卻沒有實現(xiàn)任何承重功能。另一方面，結(jié)構(gòu)電池既可以作為電源，也可以作為結(jié)構(gòu)的一部分——例如，在車身中。這被稱為“無質(zhì)量”能量存儲，因為本質(zhì)上，當(dāng)電池成為承載結(jié)構(gòu)的一部分時，電池的重量就會消失。計算表明，這種多功能電池可以大大減輕電動汽車的重量。

圖1 結(jié)構(gòu)電池的用途
查爾默斯理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)從事結(jié)構(gòu)電池方面開發(fā)多年，包括以前發(fā)現(xiàn)的涉及某些類型的碳纖維。除了堅硬和堅固，它們還具有良好的化學(xué)儲存電能的能力。這項工作被《物理世界》評為2018年十大科學(xué)突破之一。
早在2007年就首次嘗試制造結(jié)構(gòu)電池，但迄今為止，很難制造出兼具良好電氣和機(jī)械性能的電池。查爾默斯理工大學(xué)的研究人員與斯德哥爾摩的KTH皇家技術(shù)研究所合作，推出了一種結(jié)構(gòu)電池，其性能在電能存儲、剛度和強(qiáng)度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前所見的任何性能。它的多功能性能比以前的結(jié)構(gòu)電池原型高十倍。KTH開發(fā)了電池電解液。該項目涉及五個不同學(xué)科的研究人員：材料力學(xué)、材料工程、輕量化結(jié)構(gòu)、應(yīng)用電化學(xué)以及纖維和聚合物技術(shù)。
結(jié)構(gòu)電池使用碳纖維作為負(fù)極，磷酸鐵鋰涂層鋁箔作為正極。碳纖維充當(dāng)鋰的宿主，從而儲存能量。由于碳纖維也傳導(dǎo)電子，因此也避免了對銅和銀導(dǎo)體的需求，從而進(jìn)一步減輕了重量。碳纖維和鋁箔都有助于結(jié)構(gòu)電池的機(jī)械性能。兩種電極材料通過結(jié)構(gòu)電解質(zhì)基質(zhì)中的玻璃纖維織物保持分離。電解質(zhì)的任務(wù)是在電池的兩個電極之間傳輸鋰離子，但也在碳纖維和其他部件之間傳遞機(jī)械負(fù)載。
該電池的能量密度為24Wh/kg，與目前可用的鋰離子電池相比，其容量約為20%。但是，由于車輛的重量可以大大減輕，例如，駕駛電動汽車所需的能量將減少，而較低的能量密度也會提高安全性。結(jié)構(gòu)電池具有25GPa的剛度，可以與許多其他常用的建筑材料相媲美。
“先前制造結(jié)構(gòu)電池的嘗試已經(jīng)制作了具有良好機(jī)械性能或良好電性能的電池。但在這里，使用碳纖維，我們成功地設(shè)計出了一種具有競爭力的儲能能力和剛性的結(jié)構(gòu)電池?！?查爾默斯理工大學(xué)教授、該項目負(fù)責(zé)人Leif Asp說。
超輕電動自行車和消費電子產(chǎn)品可能很快成為現(xiàn)實。新電池的負(fù)極由碳纖維制成，正極由磷酸鐵鋰涂層鋁箔制成，它們由電解質(zhì)基質(zhì)中的玻璃纖維織物隔開。盡管他們成功地制造出了比以往所有電池好十倍的結(jié)構(gòu)電池，但研究人員希望進(jìn)一步調(diào)查和了解材料結(jié)構(gòu)和隔板厚度的影響。

圖2 新型結(jié)構(gòu)電池
現(xiàn)在，由瑞典國家航天局資助的一個新項目正在進(jìn)行中，結(jié)構(gòu)電池的性能將進(jìn)一步提高。鋁箔將被碳纖維取代，作為正極的承重材料，從而提高了剛度和能量密度。
玻璃纖維隔板將替換為超薄型隔板，這將產(chǎn)生更大的效果——以及更快的充電周期。新項目預(yù)計在兩年內(nèi)完成。這種電池的能量密度可達(dá)75Wh/kg，硬度可達(dá)75GPa。這將使電池與鋁一樣堅固，但重量相對較輕。項目負(fù)責(zé)人萊夫·阿斯普說：“下一代結(jié)構(gòu)電池具有巨大的潛力。如果你看看消費技術(shù)，在幾年內(nèi)制造重量只有現(xiàn)在一半、體積更緊湊的智能手機(jī)、筆記本電腦或電動自行車是很有可能的?！?/span>
從長遠(yuǎn)來看，電動汽車、電動飛機(jī)和衛(wèi)星將采用結(jié)構(gòu)電池進(jìn)行設(shè)計和供電，這是完全可以想象的。萊夫·阿斯普說：“我們真的只受想象力的限制。我們在該領(lǐng)域發(fā)表科學(xué)文章時受到了許多不同類型公司的關(guān)注。人們對這些輕質(zhì)、多功能材料的極大興趣是可以理解的?！?/span>

圖3 新型結(jié)構(gòu)電池的制作過程

（來源：前沿材料）

版權(quán)聲明：復(fù)材云集尊重版權(quán)并感謝每一位作者的辛苦付出與創(chuàng)作；除無法溯源的文章，我們均在文末備注了來源；如文章視頻、圖片、文字涉及版權(quán)問題，請第一時間聯(lián)系我們，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容！