“无质量”储能的重大突破：结构电池的性能比以前的所有版本都要好10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，电池的质量实际上会“消失”。

查尔默斯理工大学的研究人员生产的结构电池的性能比以前的所有版本都要好十倍。它包含同时用作电极，导体和承重材料的碳纤维。他们最新的研究突破为车辆和其他技术中基本上“无质量”的能量存储铺平了道路。

如今的电动汽车中的电池占了汽车重量的很大一部分，而没有履行任何承重功能。另一方面，结构电池既可以用作电源，也可以作为结构的一部分，例如在车身中。这就是所谓的“无质量”能量存储，因为从本质上讲，当电池成为负载结构的一部分时，其重量就会消失。计算表明，这种多功能电池可以大大减轻电动汽车的重量。

查尔默斯理工大学的结构电池的开发经历了多年的研究，包括先前发现的涉及某些类型碳纤维的发现。除了坚固外，它们还具有良好的化学存储电能的能力。这项工作被《物理学世界》（Physics World）评为2018年十大科学突破之一。

早在2007年就进行了结构电池的首次尝试，但是迄今为止，制造具有良好电气和机械性能的电池已被证明是困难的。

Johanna Xu医生在查默斯（Chalmers）的复合实验室中拥有一个新制造的结构电池，她向Leif Asp展示了这一过程。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。

但是现在，这一发展已经向前迈出了实质性的一步，来自查尔默斯（Chalmers）的研究人员与斯德哥尔摩KTH皇家技术学院合作，提出了一种结构电池，其电能存储，刚度和强度方面的性能远远超过了以往。它的多功能性能是以前的结构电池原型的十倍。

该电池的能量密度为24 Wh / kg，这意味着与目前可用的同类锂离子电池相比，容量约为20％。但是，由于可以大大减轻车辆的重量，因此例如需要较少的能量来驱动电动汽车，并且较低的能量密度也导致增加的安全性。而且，结构电池的刚度为25 GPa，可以与许多其他常用的建筑材料抗衡。

“先前制造结构电池的尝试导致电池具有良好的机械性能或良好的电性能。但是在这里，我们使用碳纤维成功地设计了具有竞争力的储能能力和刚性的结构电池。”查尔默斯教授兼项目负责人Leif Asp解释说。

超轻型电动自行车和消费类电子产品很快将成为现实

新电池具有由碳纤维制成的负极和由涂覆有磷酸铁锂的铝箔制成的正极。它们在电解质基质中被玻璃纤维织物隔开。尽管他们成功地制造出了比以前所有电池都要好十倍的结构电池，但研究人员们并没有选择试图打破记录的材料，而是希望调查并了解材料结构和隔板厚度的影响。

现在，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。铝箔将被碳纤维替代，作为正极中的承重材料，从而既提高了刚度，又提高了能量密度。玻璃纤维隔板将被超薄型替代，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。

也是这个项目的领导者的莱夫·阿斯普（Leif Asp）估计，这种电池的能量密度可以达到75 Wh / kg，刚度可以达到75 GPa。这将使电池的强度与铝差不多，但重量要轻得多。

Leif Asp，查尔默斯理工大学工业与材料科学系教授。他于2010年发表了有关结构性电池的第一篇论文，现已成功证明其多功能性能是以前任何结构性电池原型的十倍。

下一代结构电池具有巨大的潜力。如果您看一下消费类技术，那么几年之内制造出智能手机，笔记本电脑或电动自行车的重量很可能是如今的一半，而且体积更小，这是很有可能的。 Leif Asp说。

从长远来看，绝对可以想象，电动汽车，电动飞机和卫星将由结构电池设计并由其供电。

“实际上，我们仅受到我们的想象力的限制。我们在该领域的科学论文发表方面受到了许多不同类型公司的广泛关注。可以理解的是，这些轻巧的多功能材料引起了人们的极大兴趣，” Leif Asp说。

参考：Leif E. Asp，Karl Bouton，David Carlstedt，段宏宏，Ross Harnden，Wilhelm Johannisson，Marcus Johansen，Mats KG Johansson，GöranLindbergh，Fang Liu，Kevin Peuvot，Lynn M. Schneider撰写的“结构电池及其多功能性能” ，约翰娜·许（Johanna Xu）和丹·曾克特（Dan Zenkert），2021年1月27日，先进能源与可持续性研究。
10.1002 / aesr.202000093

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结构电池使用碳纤维作为负极，并且涂覆有磷酸铁锂的铝箔作为正极。碳纤维充当锂的主体，因此存储能量。由于碳纤维还传导电子，因此也避免了对铜和银导体的需求-进一步减轻了重量。碳纤维和铝箔都有助于结构电池的机械性能。两种电极材料通过玻璃纤维织物保持在结构电解质基质中。电解质的任务是在电池的两个电极之间传输锂离子，同时也在碳纤维和其他部件之间传递机械负载。

该项目是由查尔默斯理工大学和瑞典最大的两所技术大学KTH皇家理工学院合作进行的。电池电解液已在KTH开发。该项目涉及来自五个不同学科的研究人员：材料力学，材料工程，轻质结构，应用电化学以及纤维和聚合物技术。资金来自欧盟委员会的研究计划Clean Sky II和美国空军。