多功能碳纤维结构电池研制成功！有望将电动汽车续航里程提高70%

发布时间：2024-09-20 浏览人数：人

图片来源：查尔姆斯理工大学| Henrik Sandsjö

当汽车、飞机、船舰或计算机采用一种既能作为电池又能作为承重结构的材料制造时，其重量和能源消耗将大大降低。据10日发表在最新一期《先进材料》杂志上的论文，瑞典查尔姆斯理工大学研究团队在“无质量储能”研究方面取得进展，开发出一种多功能碳纤维结构电池。这种电池可以将笔记本电脑的重量减半，使手机像信用卡一样薄，或者将电动汽车单次充电的续航里程提高70%。

查尔姆斯理工大学研究员里卡·乔杜里表示，他们研发出的这种结构电池由碳纤维复合材料制成，其刚度与铝相当，且能量密度足以商业化应用。结构电池是一种既能储存能量又能承载负荷的材料。让电池材料成为产品实际构造的一部分，意味着在电动汽车、无人机、手持工具、笔记本电脑和手机等产品上可以实现更小的重量。

电动汽车在很大程度上依赖于大型锂离子电池来实现长距离行驶。查尔姆斯理工大学的研究人员想知道，他们能否制造出一种电池，既能作为承重材料将汽车固定在一起，又能减轻重量。

作为"无质量能量存储"项目的一部分，瑞典的研究团队开发出了一种由碳纤维复合材料制成的电池。这种电池的硬度与铝相似，同时还能储存相当多的能量，足以用于商业用途。

碳纤维电池有望像铝电池一样储存能量并支持负载

当然，碳纤维具有令人难以置信的轻质、高强度和高刚度，因此在高性能汽车的结构和外观材料中很受欢迎，尽管价格昂贵，但它也是航空航天应用中的关键材料，因为在这些应用中，每一克都至关重要。

但如果为此目的进行电化学工程设计，它也可以作为一种有效的电极材料。由 Leif Asp 教授领导的查尔默斯团队多年来一直致力于这方面的研究，并于 2018 年发表了一项研究，首次证明了具有特定晶体排列的碳纤维的这一特性。

研究人员夏振元、里查-乔杜里和莱夫-阿斯普教授多年来一直在研究这种无质量储能概念。

新电池设计的能量密度为 30 Wh/kg，以汽车标准来看......并不算高。作为参考，现代 Ioniq 6的 53 kWh 电池组的额定能量密度为 153 Wh/kg（PDF）。

但这只是电池组放在盒子里的能量密度；要进行公平的比较，还必须加上整车结构底盘的重量，因为这种碳纤维结构电池的设计目的是取代整个车架，减轻整车的重量，同时释放空间。

电动汽车和设备制造商可以利用这一新的等式，或者大幅减轻产品重量，或者在腾出的空间中重新填充更多电池，以提高整体储能能力。

这些结果在实践中可能是革命性的。Asp说："我们对电动汽车进行了计算，结果表明，如果电动汽车采用具有竞争力的结构电池，其行驶时间可比现在延长 70%。"

该团队的最新原型的硬度几乎是之前迭代产品的三倍，弹性模量从 25 千兆帕斯卡提高到 70 千兆帕斯卡。该团队表示，现在它的硬度和承重能力与铝材相当，但重量却轻得多。

这种电池设计在阳极和阴极中都使用了碳纤维，碳纤维还能起到加固和集流的作用。这样就不需要铜等重型材料制成的电流收集器，也不需要在电极设计中使用钴等冲突金属。

这种电池设计的正负极都采用了碳纤维材料

此外，这种电池使用半固态电解质而不是液态电解质在端子之间移动锂离子。因此，它的易燃性更低，使用起来也更安全--不过研究小组承认，要让离子快速通过电解质，以满足大功率应用的需要，还存在一些问题。这方面还需要更多的研究。

是的，这只是另一种实验室电池，因此，这些下一代电动汽车和设备还需要几年的时间，但大规模生产和商业化已在酝酿之中。

早在 2022 年，该大学就与哥德堡的风险投资公司 Chalmers Ventures 合作，成立了一家名为 Sinonus 的新公司。该公司于今年 6 月任命了新的首席执行官，以推动无质量储能的商业化，从而改变我们制造汽车、小工具甚至风力涡轮机叶片的方式。

Asp说："我们可以想象，信用卡般轻薄的移动电话或重量只有现在一半的笔记本电脑在时间上是最接近的。汽车或飞机上的电子设备等部件也可能由结构电池提供动力。这将需要大量投资，以满足运输业具有挑战性的能源需求，但这也是该技术能够发挥最大作用的地方。"

END

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来源：《科技日报》、券股汇金、瑞典查尔姆斯理工大学

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