重大突破!研究人员生产的结构电池 比以前的所有版本都要好十倍

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查尔默斯科技大学的研究人员研制出了一种结构电池,其性能比以前所有型号的电池都要好十倍。它含有碳纤维,可以同时作为电极、导体和承重材料。他们最新的研究突破为汽车和其他技术的“无质量”储能铺平了道路。


如今的电动汽车中,电池占了汽车重量的很大一部分,却没有任何承载功能。另一方面,结构电池既是动力源,又是结构的一部分——例如,在汽车车身中。这被称为“无质量”能量存储,因为从本质上说,当电池成为承重结构的一部分时,它的重量就消失了。计算表明,这种多功能电池可以大大减轻电动汽车的重量。


查尔默斯理工大学(Chalmers University of Technology)的结构电池的开发经历了多年的研究,包括之前涉及某些类型的碳纤维的发现。除了坚硬和坚固之外,它们还具有良好的化学储存电能的能力。这项工作被《物理世界》评为2018年十大科学突破之一。

重大突破!研究人员生产的结构电池 比以前的所有版本都要好十倍

结构性电池复合材料不能存储与锂离子电池一样多的能量,但是具有多种特性,使其在车辆和其他应用中具有很高的吸引力。当电池成为承重结构的一部分时,电池的质量实际上“消失了”。


人们早在2007年就开始尝试制造结构电池,但到目前为止,要同时制造具有良好电气和机械性能的电池还是很困难的。但是现在,Chalmers的研究人员与斯德哥尔摩的KTH皇家理工学院合作,提出了一种结构电池,在电能存储、刚度和强度方面,其性能远远超过以往任何东西。它的多功能性能比以前的结构电池原型高出10倍。


这种电池的能量密度为24 Wh/kg,这意味着与目前可用的锂离子电池相比,其容量约为20%。但是由于汽车的重量可以大大减少,例如,驾驶电动汽车所需的能源就会更少,而更低的能量密度也会提高安全性。并且具有25 GPa的刚度,结构电池真的可以与许多其他常用的建筑材料竞争。


他说,以前的一些制造结构电池的尝试,要么使电池具有良好的机械性能,要么使电池具有良好的电气性能。但在这里,我们使用碳纤维成功地设计出了一种具有竞争力的储能能力和刚性的结构电池,查尔默斯大学教授、该项目负责人Leif Asp解释道。

重大突破!研究人员生产的结构电池 比以前的所有版本都要好十倍

Johanna Xu博士在查默斯(Chalmers)的复合实验室中拥有一个新制造的结构电池,她向Leif Asp展示了该电池。电池由碳纤维电极和磷酸铁锂电极组成,由玻璃纤维织物隔开,所有电极均浸渍有结构性电池电解质,以实现机械和电气的综合功能。三个结构电池已串联连接,并作为较大的复合层压板的一部分进行层压。每个结构电池的标称电压为2.8V。层压板的总电压为8.4 V,平面刚度刚好超过28 GPa。


超轻型电动自行车和消费电子产品可能很快就会成为现实


这种新型电池有一个由碳纤维制成的负极,和一个由涂有磷酸锂的铝箔制成的正极。它们被电解质基质中的玻璃纤维织物隔开。尽管他们成功地创造了一种比之前所有电池都好十倍的结构电池,研究人员并没有选择这种材料来尝试打破记录——相反,他们想要调查和了解材料结构和隔板厚度的影响。


现在,一个由瑞典国家航天局资助的新项目正在进行中,结构电池的性能将进一步提高。铝箔将被碳纤维取代,作为正极的承重材料,提供更高的刚度和能量密度。玻璃纤维隔板将被超薄隔板取代,效果更好,充电周期也更快。新项目预计在两年内完成。


领导这个项目的Leif Asp估计,这种电池可以达到75 Wh/kg的能量密度和75 GPa的刚度。这将使电池的强度和铝差不多,但重量相对要轻得多。


下一代结构电池具有巨大的潜力。如果你看看消费技术,很有可能在几年内生产出智能手机、笔记本电脑或电动自行车,它们的重量只有现在的一半,而且更紧凑。


从长远来看,完全可以想象,电动汽车、电动飞机和卫星将使用结构电池来设计和提供动力。


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