瑞典查尔姆斯大学利用碳纤维在结构电池领域取得突破

瑞典查尔姆斯大学和瑞典皇家理工学院的科研人员合作制造出一种性能参数为现有产品10倍的结构电池,这种电池由碳纤维制成,也可作为电极、导线和承载材料,为在运输载具上实现“无质量”能量存储铺平了道路。

 在目前的电动运输载具中,电池占了重量的很大一部分,却无法担负任何承载功能。而结构电池既能供电又能承载,可以大大减小电动载具的重量。查尔姆斯大学在结构电池开发方面已进行了多年的研究,包括先前研究中涉及的某些类型碳纤维。这些碳纤维除了有很好的刚度和强度外,还具有良好的化学存储电能的能力。这项成果当时被《物理学世界》(Physics World)评为2018年十大科学突破之一。

 查尔姆斯大学虽然早在2007年就开始尝试制造结构电池,但此前制造具有良好电气和机械性能的电池还是非常是困难的。

 该团队此次研发的结构电池使用碳纤维作为负极,涂覆有磷酸铁锂的铝箔作为正极,碳纤维充当主体材料既存储能量,还可传导电子,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提高结构电池的力学性能,两种电极材料在结构电解质基质中通过玻璃纤维织物分隔。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载荷。

 该电池的能量密度为24Wh/kg,虽然只是目前可用的同类锂离子电池的20%,但是由于可以大大减轻载具的重量,因此也减少了驱动载具所需的能量,较低的能量密度有助于增加安全性。同时,该结构电池的刚度为25GPa,与许多常用的建筑材料相当。

 该项目是由查尔默斯理工大学和瑞典皇家理工学院(KTH)合作进行的,电池的电解质量由KTH开发,研究人员来自五个不同学科: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。

 该研究得到了欧盟“洁净天空”2计划和美国空军的资助,相关论文《A Structural Battery and its Multifunctional Performance》已在Advanced Energy & Sustainability Research期刊上发表。

 尽管他们成功地制造出了比现有电池都好十倍的结构电池,但研究人员们并没有选择通过尝试不同的材料来进一步打破记录,而是希望通过研究来了解材料架构和隔板厚度的影响。

 目前,该团队正在瑞典国家航天局的一项新项目的资助下进一步提高结构电池的性能,铝箔将被碳纤维取代作为正极中的承载材料,从而同时提高刚度和能量密度。玻璃纤维隔板将被超薄的隔板替代,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,据科研人员估计,新的结构电池的能量密度可以达到75Wh/kg,刚度可以达到75 GPa,电池的强度与铝差不多,但重量要轻得多。