從電動(dòng)汽車到無(wú)人機(jī)，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(guī)儲(chǔ)能解決方案的有趣替代。比如近日，研究團(tuán)隊(duì)就宣稱在“無(wú)質(zhì)量”碳纖維電池項(xiàng)目上取得了重大突破，特點(diǎn)是可以兼作車輛的電池和結(jié)構(gòu)部件。

結(jié)構(gòu)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(tuán)隊(duì)終于實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)想。通過(guò)讓電池兼作結(jié)構(gòu)部件，以減輕整車的設(shè)計(jì)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(jī)械性能、以及通過(guò)正確的方式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)可充當(dāng)電極材料的能力。

2018 年的時(shí)候，科學(xué)家們發(fā)表了一項(xiàng)研究，描述了一種具有特殊晶體排列的碳纖維。它既可以提供車輛構(gòu)造所需的剛度，又可以提供能量存儲(chǔ)所需的電化學(xué)性能。

作為將這項(xiàng)研究專為實(shí)際應(yīng)用的努力的一部分，科學(xué)家們現(xiàn)已生產(chǎn)出一種碳纖維結(jié)構(gòu)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(jù)悉，該電池由碳纖維制成的負(fù)極、以及磷酸鋰鐵涂覆鋁箔制成正極組成，兩者被用作結(jié)構(gòu)電解質(zhì)基質(zhì)的玻璃纖維織物隔開(kāi)。

它既可以像常規(guī)電池一樣在電極之間傳輸鋰離子，又有助于將機(jī)械負(fù)載分散到結(jié)構(gòu)的不同部分?；诖?，研究人員將之稱作“無(wú)質(zhì)量”的儲(chǔ)能設(shè)備。

從理論上來(lái)說(shuō)，它確實(shí)可以擺脫傳統(tǒng)電池的部分缺點(diǎn) —— 不給車輛增加任何“額外”的重量。

然而實(shí)際應(yīng)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(dāng)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)汽車中，則整車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(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的行進(jìn)。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Leif Asp 表示：先前制造的結(jié)構(gòu)電池，通常只側(cè)重于良好的機(jī)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(shè)計(jì)了兼具結(jié)構(gòu)剛性和儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)的新型電池。

在性能提升 10 倍后，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始將精力放到其它新目標(biāo)上，比如計(jì)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(jī)械性能。此外用更薄的材料取代玻璃纖維織物，以實(shí)現(xiàn)更快的充電。

研究配圖 - 1：結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料的制造

Leif Asp 預(yù)計(jì)，此類電池有望達(dá)成 75 Wh/kg 的能量密度和 75 GPa 的剛度(與鋁材相當(dāng))，但重量卻要輕得多。從電動(dòng)汽車到消費(fèi)電子產(chǎn)品，未來(lái)的潛力更是不可估量。

有關(guān)這項(xiàng)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(xù)性研究》期刊上，原標(biāo)題為《A Structural Battery and its Multifunctional Performance》。