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碳纖維既可儲能，又可作為結構部件
從只能飛那么久的電動飛機，到每隔幾百英里就要停下來充電的電動汽車，笨重的電池是個巨大的限制因素，限制了這類交通工具能飛多遠。瑞典查爾默斯理工大學的科學家們一直在探索一種替代方案，以替代傳統(tǒng)的儲能方法，并宣稱是一項重大突破，令人關注。他們展示的新型“無質量”電池，既可以作為動力來源，同時又可以作為交通工具的結構部件。
查爾默斯理工大學的研究團隊花了很多年研究，設想電池可以兼做結構部件，以降低車輛設計的重量。碳纖維是這項研究的關鍵支柱，因為它的力學性能卓越而知名，正確的設計，還有能力作為電極材料。
2018年，這些科學家發(fā)表的研究報告，描述了碳纖維晶體排列的正確形式，既能提供汽車結構所需的剛度，又能提供儲能所需的電化學性能。作為將這項研究轉化為現(xiàn)實應用努力的一部分，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)了一種碳纖維結構電池，據(jù)說其性能比以往任何版本都要好十倍。
新開發(fā)的“無質量”電池，能量密度為24 Wh/kg。這個團隊指出，它大約是目前鋰離子電池容量的20%
這種電池由碳纖維制成的負極和涂有磷酸鐵鋰-涂鋁箔制成的正極組成。它們之間靠玻璃纖維織物分隔，充當結構電解質板，既能像傳統(tǒng)電池一樣，在電極之間運輸鋰離子，又幫助把機械負荷分散到結構的不同部分。
研究人員稱這是一種“無質量”的儲能設備，因為與傳統(tǒng)電池不同，不會給車輛增加任何額外的重量，至少在理論上是這樣的。然而，確實也有某些妥協(xié)。例如，這個團隊指出，這種電池的能量密度為24 Wh/kg，約為目前鋰離子電池容量的20%。
另一方面，如果把這種電池集成到電動汽車上，取代典型的鋰離子電池，這輛汽車的重量就會輕得多，因而在地面上推動所需的能量更少。至于它的機械性能，研究小組說，材料的剛度為25 GPa，可以與其他常用的建材競爭。
項目負責人列夫·阿斯普(Leif Asp)說，“以前嘗試制造的結構電池，要么機械性能良好，要么電氣性能良好。”“但使用碳纖維，我們成功設計出的結構電池，儲能和剛性都有競爭力。”
研究人員說，這種新設計，比之前的結構電池性能提高了十倍，但他們很快就把注意力轉向更高的目標。他們下個階段的研究是用碳纖維替換正電極上的鋁，進一步提高儲能和機械性能，同時玻璃纖維織物變得更薄，使充電更快。
電池也作為汽車的結構部件，可能為電動交通帶來某些令人關注的可能性
阿斯普猜測，這種電池能提供的能量密度高達75 Wh/kg，剛度高達75 GPa，像鋁一樣堅固，但要輕得多。此后，圍繞電動交通工具，甚至消費性電子產(chǎn)品的可能性會變得非常令人興奮。
他說，“下一代結構電池有神奇的潛力。”“如果看看消費者科技，很有可能在幾年內，生產(chǎn)的智能手機、筆記本電腦或電動自行車，重量只有現(xiàn)在的一半，而且更加緊湊。”
資料與注釋：
1. Nick Lavars, "Massless" carbon fiber battery doubles as a structural component，NEW ATLAS，22 Mar 2021.
2. CHALMERS, Big breakthrough for ‘massless’ energy storage, 22 Mar 2021.
3. Leif E. Asp et al., A Structural Battery and its Multifunctional Performance, Adv. Energy Sustainability Res. 2021, 2, 2000093
4. CAROLINE DELBERT, The Battery That Will Finally Unlock Massless Energy Storage, PM, MAR 22, 2021
5. 查爾默斯理工大學，簡稱：Chalmers。位于瑞典第二大城市、北歐工業(yè)中心哥德堡，成立于1829年，是一所以工程技術、自然科學和建筑學教育與研究為主旨的歐洲頂尖理工大學。
原標題：“無質量”儲能技術的重大突破
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