減重+儲能：“無質量”碳纖維電池可兼作結構部件

從電動汽車到無人機，電池在能量密度和自身重量上一直難以得到很好的平衡。不過查爾默斯理工大學的科學家們，一直在探索這些常規儲能解決方案的有趣替代。比如近日，研究團隊就宣稱在“無質量”碳纖維電池項目上取得了重大突破，特點是可以兼作車輛的電池和結構部件。

結構插圖（來自：Yen Strandqvist / Chalmers.se）

經過多年的努力，查爾默斯理工大學的研究團隊終于實現了這一設想。通過讓電池兼作結構部件，以減輕整車的設計重量。

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械性能、以及通過正確的方式進行工程設計時可充當電極材料的能力。

2018 年的時候，科學家們發表了一項研究，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造所需的剛度，又可以提供能量存儲所需的電化學性能。

作為將這項研究專為實際應用的努力的一部分，科學家們現已生產出一種碳纖維結構電池，具有較以往任何版本都優秀 10 倍的性能。

Johanna Xu 博士向 Leif Asp 展示新型電池

（圖自：Marcus Folino）

據悉，該電池由碳纖維制成的負極、以及磷酸鋰鐵涂覆鋁箔制成正極組成，兩者被用作結構電解質基質的玻璃纖維織物隔開。

它既可以像常規電池一樣在電極之間傳輸鋰離子，又有助于將機械負載分散到結構的不同部分。基于此，研究人員將之稱作“無質量”的儲能設備。

從理論上來說，它確實可以擺脫傳統電池的部分缺點 —— 不給車輛增加任何“額外”的重量。

然而實際應用方面，還是有一些難以避免的妥協。比如這種新型電池的能量密度僅為 24 Wh/kg，約為當前鋰離子電池的 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典的鋰離子電池、并將之集成到電動汽車中，則整車重量有望極大地減輕。如此一來，只需消耗更少的能量，便可驅動電動汽車的行進。

項目負責人 Leif Asp 表示：先前制造的結構電池，通常只側重于良好的機械性能、或出色的電氣性能。不過他們使用碳纖維成功地設計了兼具結構剛性和儲能優勢的新型電池。

在性能提升 10 倍后，研究團隊開始將精力放到其它新目標上，比如計劃使用碳纖維代替正極中的鋁材料，以進一步提升能量和機械性能。此外用更薄的材料取代玻璃纖維織物，以實現更快的充電。

研究配圖 - 1：結構電池復合材料的制造

Leif Asp 預計，此類電池有望達成 75 Wh/kg 的能量密度和 75 GPa 的剛度（與鋁材相當），但重量卻要輕得多。從電動汽車到消費電子產品，未來的潛力更是不可估量。

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