“无质量”储能技术的重大突破

《New Atlas》网站编辑 尼克·劳瓦斯(Nick Lavars)最近发文[1]，报道了瑞典查尔默斯理工大学(Chalmers) “无质量”碳纤维电池研究的进展[2-4]。研究报告发表在《先进能源与可持续性研究》杂志上。[5]

碳纤维既可储能，又可作为结构部件

从只能飞那么久的电动飞机，到每隔几百英里就要停下来充电的电动汽车，笨重的电池是个巨大的限制因素，限制了这类交通工具能飞多远。瑞典查尔默斯理工大学的科学家们一直在探索一种替代方案，以替代传统的储能方法，并宣称是一项重大突破，令人关注。他们展示的新型“无质量”电池，既可以作为动力来源，同时又可以作为交通工具的结构部件。

查尔默斯理工大学的研究团队花了很多年研究，设想电池可以兼做结构部件，以降低车辆设计的重量。碳纤维是这项研究的关键支柱，因为它的力学性能卓越而知名，正确的设计，还有能力作为电极材料。

2018年，这些科学家发表的研究报告，描述了碳纤维晶体排列的正确形式，既能提供汽车结构所需的刚度，又能提供储能所需的电化学性能。作为将这项研究转化为现实应用努力的一部分，研究人员现在已经生产了一种碳纤维结构电池，据说其性能比以往任何版本都要好十倍。

新开发的“无质量”电池，能量密度为24 Wh/kg。这个团队指出，它大约是目前锂离子电池容量的20%

这种电池由碳纤维制成的负极和涂有磷酸铁锂-涂铝箔制成的正极组成。它们之间靠玻璃纤维织物分隔，充当结构电解质板，既能像传统电池一样，在电极之间运输锂离子，又帮助把机械负荷分散到结构的不同部分。

研究人员称这是一种“无质量”的储能设备，因为与传统电池不同，不会给车辆增加任何额外的重量，至少在理论上是这样的。然而，确实也有某些妥协。例如，这个团队指出，这种电池的能量密度为24 Wh/kg，约为目前锂离子电池容量的20%。

另一方面，如果把这种电池集成到电动汽车上，取代典型的锂离子电池，这辆汽车的重量就会轻得多，因而在地面上推动所需的能量更少。至于它的机械性能，研究小组说，材料的刚度为25 GPa，可以与其他常用的建材竞争。

项目负责人列夫·阿斯普(Leif Asp)说，“以前尝试制造的结构电池，要么机械性能良好，要么电气性能良好。”“但使用碳纤维，我们成功设计出的结构电池，储能和刚性都有竞争力。”

研究人员说，这种新设计，比之前的结构电池性能提高了十倍，但他们很快就把注意力转向更高的目标。他们下个阶段的研究是用碳纤维替换正电极上的铝，进一步提高储能和机械性能，同时玻璃纤维织物变得更薄，使充电更快。

电池也作为汽车的结构部件，可能为电动交通带来某些令人关注的可能性

阿斯普猜测，这种电池能提供的能量密度高达75 Wh/kg，刚度高达75 GPa，像铝一样坚固，但要轻得多。此后，围绕电动交通工具，甚至消费性电子产品的可能性会变得非常令人兴奋。

他说，“下一代结构电池有神奇的潜力。”“如果看看消费者科技，很有可能在几年内，生产的智能手机、笔记本电脑或电动自行车，重量只有现在的一半，而且更加紧凑。”

资料与注释：

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. 查尔默斯理工大学，简称：Chalmers。位于瑞典第二大城市、北欧工业中心哥德堡，成立于1829年，是一所以工程技术、自然科学和建筑学教育与研究为主旨的欧洲顶尖理工大学。