碳纤维让“无质量”能量储存变成现实

查尔默斯理工大学的研究人员已经生产出一种结构电池，其性能比以前的所有版本都要好十倍。它将碳纤维用于电极、导体和承重材料。他们的最新研究突破为在车辆和其他技术中实现 “无质量”的能量存储铺平了道路。

在新能源汽车中，电池部分占据了车辆重量的很大一部分，但却没有实现任何承重功能。另一方面，结构电池既可以作为电源，也可以作为结构的一部分——例如，在车身中。这被称为“无质量”能量存储，因为本质上，当电池成为承载结构的一部分时，电池的重量就会消失。计算表明，这种多功能电池可以大大减轻电动汽车的重量。

图1 结构电池的用途
查尔默斯理工大学的研究人员已经从事结构电池方面开发多年，包括以前发现的涉及某些类型的碳纤维。除了坚硬和坚固，它们还具有良好的化学储存电能的能力。这项工作被《物理世界》评为2018年十大科学突破之一。
早在2007年就首次尝试制造结构电池，但迄今为止，很难制造出兼具良好电气和机械性能的电池。查尔默斯理工大学的研究人员与斯德哥尔摩的KTH皇家技术研究所合作，推出了一种结构电池，其性能在电能存储、刚度和强度方面远远超过了目前所见的任何性能。它的多功能性能比以前的结构电池原型高十倍。KTH开发了电池电解液。该项目涉及五个不同学科的研究人员：材料力学、材料工程、轻量化结构、应用电化学以及纤维和聚合物技术。
结构电池使用碳纤维作为负极，磷酸铁锂涂层铝箔作为正极。碳纤维充当锂的宿主，从而储存能量。由于碳纤维也传导电子，因此也避免了对铜和银导体的需求，从而进一步减轻了重量。碳纤维和铝箔都有助于结构电池的机械性能。两种电极材料通过结构电解质基质中的玻璃纤维织物保持分离。电解质的任务是在电池的两个电极之间传输锂离子，但也在碳纤维和其他部件之间传递机械负载。
该电池的能量密度为24Wh/kg，与目前可用的锂离子电池相比，其容量约为20%。但是，由于车辆的重量可以大大减轻，例如，驾驶电动汽车所需的能量将减少，而较低的能量密度也会提高安全性。结构电池具有25GPa的刚度，可以与许多其他常用的建筑材料相媲美。
“先前制造结构电池的尝试已经制作了具有良好机械性能或良好电性能的电池。但在这里，使用碳纤维，我们成功地设计出了一种具有竞争力的储能能力和刚性的结构电池。” 查尔默斯理工大学教授、该项目负责人Leif Asp说。
超轻电动自行车和消费电子产品可能很快成为现实。新电池的负极由碳纤维制成，正极由磷酸铁锂涂层铝箔制成，它们由电解质基质中的玻璃纤维织物隔开。尽管他们成功地制造出了比以往所有电池好十倍的结构电池，但研究人员希望进一步调查和了解材料结构和隔板厚度的影响。

图2 新型结构电池
现在，由瑞典国家航天局资助的一个新项目正在进行中，结构电池的性能将进一步提高。铝箔将被碳纤维取代，作为正极的承重材料，从而提高了刚度和能量密度。
玻璃纤维隔板将替换为超薄型隔板，这将产生更大的效果——以及更快的充电周期。新项目预计在两年内完成。这种电池的能量密度可达75Wh/kg，硬度可达75GPa。这将使电池与铝一样坚固，但重量相对较轻。项目负责人莱夫·阿斯普说：“下一代结构电池具有巨大的潜力。如果你看看消费技术，在几年内制造重量只有现在一半、体积更紧凑的智能手机、笔记本电脑或电动自行车是很有可能的。”
从长远来看，电动汽车、电动飞机和卫星将采用结构电池进行设计和供电，这是完全可以想象的。莱夫·阿斯普说：“我们真的只受想象力的限制。我们在该领域发表科学文章时受到了许多不同类型公司的关注。人们对这些轻质、多功能材料的极大兴趣是可以理解的。”

图3 新型结构电池的制作过程

（来源：前沿材料）

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