“無(wú)質(zhì)量”儲(chǔ)能技術(shù)的重大突破

《New Atlas》網(wǎng)站編輯 尼克·勞瓦斯(Nick Lavars)最近發(fā)文[1]，報(bào)道了瑞典查爾默斯理工大學(xué)(Chalmers) “無(wú)質(zhì)量”碳纖維電池研究的進(jìn)展[2-4]。研究報(bào)告發(fā)表在《先進(jìn)能源與可持續(xù)性研究》雜志上。[5]

碳纖維既可儲(chǔ)能，又可作為結(jié)構(gòu)部件

從只能飛那么久的電動(dòng)飛機(jī)，到每隔幾百英里就要停下來(lái)充電的電動(dòng)汽車(chē)，笨重的電池是個(gè)巨大的限制因素，限制了這類(lèi)交通工具能飛多遠(yuǎn)。瑞典查爾默斯理工大學(xué)的科學(xué)家們一直在探索一種替代方案，以替代傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方法，并宣稱是一項(xiàng)重大突破，令人關(guān)注。他們展示的新型“無(wú)質(zhì)量”電池，既可以作為動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)又可以作為交通工具的結(jié)構(gòu)部件。

查爾默斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)花了很多年研究，設(shè)想電池可以兼做結(jié)構(gòu)部件，以降低車(chē)輛設(shè)計(jì)的重量。碳纖維是這項(xiàng)研究的關(guān)鍵支柱，因?yàn)樗牧W(xué)性能卓越而知名，正確的設(shè)計(jì)，還有能力作為電極材料。

2018年，這些科學(xué)家發(fā)表的研究報(bào)告，描述了碳纖維晶體排列的正確形式，既能提供汽車(chē)結(jié)構(gòu)所需的剛度，又能提供儲(chǔ)能所需的電化學(xué)性能。作為將這項(xiàng)研究轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(jié)構(gòu)電池，據(jù)說(shuō)其性能比以往任何版本都要好十倍。

新開(kāi)發(fā)的“無(wú)質(zhì)量”電池，能量密度為24 Wh/kg。這個(gè)團(tuán)隊(duì)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(fù)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(dāng)結(jié)構(gòu)電解質(zhì)板，既能像傳統(tǒng)電池一樣，在電極之間運(yùn)輸鋰離子，又幫助把機(jī)械負(fù)荷分散到結(jié)構(gòu)的不同部分。

研究人員稱這是一種“無(wú)質(zhì)量”的儲(chǔ)能設(shè)備，因?yàn)榕c傳統(tǒng)電池不同，不會(huì)給車(chē)輛增加任何額外的重量，至少在理論上是這樣的。然而，確實(shí)也有某些妥協(xié)。例如，這個(gè)團(tuán)隊(duì)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(dòng)汽車(chē)上，取代典型的鋰離子電池，這輛汽車(chē)的重量就會(huì)輕得多，因而在地面上推動(dòng)所需的能量更少。至于它的機(jī)械性能，研究小組說(shuō)，材料的剛度為25 GPa，可以與其他常用的建材競(jìng)爭(zhēng)。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人列夫·阿斯普(Leif Asp)說(shuō)，“以前嘗試制造的結(jié)構(gòu)電池，要么機(jī)械性能良好，要么電氣性能良好。”“但使用碳纖維，我們成功設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)電池，儲(chǔ)能和剛性都有競(jìng)爭(zhēng)力。”

研究人員說(shuō)，這種新設(shè)計(jì)，比之前的結(jié)構(gòu)電池性能提高了十倍，但他們很快就把注意力轉(zhuǎn)向更高的目標(biāo)。他們下個(gè)階段的研究是用碳纖維替換正電極上的鋁，進(jìn)一步提高儲(chǔ)能和機(jī)械性能，同時(shí)玻璃纖維織物變得更薄，使充電更快。

電池也作為汽車(chē)的結(jié)構(gòu)部件，可能為電動(dòng)交通帶來(lái)某些令人關(guān)注的可能性

阿斯普猜測(cè)，這種電池能提供的能量密度高達(dá)75 Wh/kg，剛度高達(dá)75 GPa，像鋁一樣堅(jiān)固，但要輕得多。此后，圍繞電動(dòng)交通工具，甚至消費(fèi)性電子產(chǎn)品的可能性會(huì)變得非常令人興奮。

他說(shuō)，“下一代結(jié)構(gòu)電池有神奇的潛力。”“如果看看消費(fèi)者科技，很有可能在幾年內(nèi)，生產(chǎn)的智能手機(jī)、筆記本電腦或電動(dòng)自行車(chē)，重量只有現(xiàn)在的一半，而且更加緊湊。”

資料與注釋?zhuān)?/p>

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(xué)，簡(jiǎn)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(shù)、自然科學(xué)和建筑學(xué)教育與研究為主旨的歐洲頂尖理工大學(xué)。