减重+储能：“无质量”碳纤维电池可兼作结构部件

从电动汽车到无人机，电池在能量密度和自身重量上一直难以得到很好的平衡。不过查尔默斯理工大学的科学家们，一直在探索这些常规储能解决方案的有趣替代。比如近日，研究团队就宣称在“无质量”碳纤维电池项目上取得了重大突破，特点是可以兼作车辆的电池和结构部件。

结构插图（来自：Yen Strandqvist / Chalmers.se）

经过多年的努力，查尔默斯理工大学的研究团队终于实现了这一设想。通过让电池兼作结构部件，以减轻整车的设计重量。

之所以选择碳纤维在其中扮演重要角色，归因于众所周知的机械性能、以及通过正确的方式进行工程设计时可充当电极材料的能力。

2018 年的时候，科学家们发表了一项研究，描述了一种具有特殊晶体排列的碳纤维。它既可以提供车辆构造所需的刚度，又可以提供能量存储所需的电化学性能。

作为将这项研究专为实际应用的努力的一部分，科学家们现已生产出一种碳纤维结构电池，具有较以往任何版本都优秀 10 倍的性能。

Johanna Xu 博士向 Leif Asp 展示新型电池

（图自：Marcus Folino）

据悉，该电池由碳纤维制成的负极、以及磷酸锂铁涂覆铝箔制成正极组成，两者被用作结构电解质基质的玻璃纤维织物隔开。

它既可以像常规电池一样在电极之间传输锂离子，又有助于将机械负载分散到结构的不同部分。基于此，研究人员将之称作“无质量”的储能设备。

从理论上来说，它确实可以摆脱传统电池的部分缺点 —— 不给车辆增加任何“额外”的重量。

然而实际应用方面，还是有一些难以避免的妥协。比如这种新型电池的能量密度仅为 24 Wh/kg，约为当前锂离子电池的 20% 。

材料刚度 25 GPa，可与其它常用材料相媲美。

另一方面，如果用这种电池取代经典的锂离子电池、并将之集成到电动汽车中，则整车重量有望极大地减轻。如此一来，只需消耗更少的能量，便可驱动电动汽车的行进。

项目负责人 Leif Asp 表示：先前制造的结构电池，通常只侧重于良好的机械性能、或出色的电气性能。不过他们使用碳纤维成功地设计了兼具结构刚性和储能优势的新型电池。

在性能提升 10 倍后，研究团队开始将精力放到其它新目标上，比如计划使用碳纤维代替正极中的铝材料，以进一步提升能量和机械性能。此外用更薄的材料取代玻璃纤维织物，以实现更快的充电。

研究配图 - 1：结构电池复合材料的制造

Leif Asp 预计，此类电池有望达成 75 Wh/kg 的能量密度和 75 GPa 的刚度（与铝材相当），但重量却要轻得多。从电动汽车到消费电子产品，未来的潜力更是不可估量。