​研究人员在无质量储能技术上获得重大突破

   化学小能手        

来自查尔姆斯理工大学的研究人员生产出了一种结构电池,其性能比之前所有版本的电池都要好十倍。它所含的碳纤维可同时作为电极、导体和承重材料。他们的最新研究突破为汽车和其他技术的 "无质量 "储能铺平了道路。


​研究人员在无质量储能技术上获得重大突破


今天的电动汽车中的电池占了汽车重量的很大一部分,没有任何承载功能。另一方面,结构电池既可以作为电源,也可以作为结构的一部分,例如在汽车车身中。这就是所谓的 "无质量 "储能,因为从本质上讲,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。


查尔姆斯理工大学对结构电池的开发是通过多年的研究进行的,包括之前发现的涉及某些类型的碳纤维。除了刚度和强度之外,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。


早在2007年,人们就首次尝试制造结构电池,但到目前为止,要制造出电气和机械性能都很好的电池是很困难的。


但现在,这一发展已经迈出了真正的一步,来自查尔姆斯的研究人员与斯德哥尔摩KTH皇家理工学院合作,提出了一种结构电池,其性能远远超过了目前所见的任何一种电池,在电能储存、刚度和强度方面。其多功能性能比以往的结构电池原型高出十倍。


该电池的能量密度为24 Wh/kg,即与目前同类锂离子电池相比,容量约为20%。但由于可以大大减轻车辆的重量,因此驾驶电动汽车等所需的能量将更少,更低的能量密度也会带来更高的安全性。而且结构电池的刚度达到25GPa,确实可以和很多其他常用的建筑材料相媲美。


"以前尝试制造结构电池的结果是,电池的机械性能好,或者电性能好。但在这里,利用碳纤维,我们成功地设计出了一种既具有竞争性的储能能力又具有刚性的结构电池。"查尔姆斯教授和项目负责人Leif Asp解释说。


新型电池的负极由碳纤维制成,正极由磷酸铁锂涂层铝箔制成。它们被玻璃纤维织物隔开,处于电解质基质中。尽管他们成功地制造出了比之前所有电池好十倍的结构电池,但研究人员选择这些材料并不是为了试图打破记录--相反,他们想研究和了解材料架构和分离器厚度的影响。


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。玻璃纤维分离器将被替换为超薄型,这将带来更大的效果,以及更快的充电周期。新项目预计将在两年内完成。


Leif Asp也在领导这个项目,他估计这样的电池可以达到75 Wh/kg的能量密度和75 GPa的刚度。这将使这种电池的强度与铝差不多,但重量相对要低很多。


"下一代结构电池具有奇妙的潜力。如果你看看消费类技术,在几年内制造出重量只有现在一半、结构更紧凑的智能手机、笔记本电脑或电动自行车是很有可能的。"Leif Asp说。


而从长远来看,绝对可以想象电动汽车、电动飞机和卫星将采用结构电池设计和供电。


"我们在这里真的只受限于我们的想象力。我们在该领域的科学文章发表后,受到了许多不同类型公司的关注。可以理解的是,人们对这些轻质、多功能材料有很大的兴趣,"Leif Asp说。

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