当汽车、飞机、船只或电脑等设备使用既充当电池又作为结构组件的材料建造时，可以显著减少重量和能耗。瑞典查尔姆斯科技大学的研究团队最近在所谓的无质量能量储存方面取得了进展——一种结构性电池，有潜力将笔记本电脑的重量减半，使手机瘦得跟信用卡一样，或在单次充电时将电动车的行驶范围提升多达70%。
“我们开发了一种碳纤维复合材料电池，它的刚度与铝一样，并拥有适合商业应用的能量密度。这个电池的功能类似于人体骨架，扮演着多重角色，”查尔姆斯的研究员瑞查·乔杜里（Richa Chaudhary）说，她是最近发表在《先进材料》上的一篇文章的合著者。
查尔姆斯在结构电池的探索已经进行多年，有时与瑞典皇家工学院的研究人员合作。该团队在2018年发布的初步研究结果展示了强碳纤维如何化学储存电能，并引起了广泛关注。
轻量化等于降低能耗
自那时起，研究团队显著增强了电池的刚性和能量密度。在2021年，他们达成了一项突破，能量密度达到每千克24瓦时（Wh/kg），这相当于标准锂离子电池容量的约20%。目前的开发已达到30Wh/kg。尽管这仍低于现有电池，但当电池融入结构时，动力学发生变化，允许它由更轻的材料制成，从而大大减轻车辆的整体重量。因此，操作电动车所需的能量也相应减少。
“投资轻量且节能的车辆对于节能和确保可持续未来至关重要。我们的计算表明，如果电动车配备竞争力的结构性电池，它们的行驶距离可以比现在增加多达70%，”该研究的领导者、查尔姆斯工业与材料科学系教授莱夫·阿斯普（Leif Asp）评论道。
车辆必须遵循严格的强度标准以满足安全法规。研究团队开发的结构电池单元显著增强了其刚性，特别是弹性模量，从25千兆帕（GPa）提高到70千兆帕。这一进展使得材料在承重方面可以与铝相媲美，但重量更轻。
“在多功能性的方面，新的电池在其前身的基础上实现了双倍提升，并且确实是全球有史以来最好的电池，”自2007年以来一直在研究结构电池的莱夫·阿斯普宣称。
商业化迈出的步伐
最初的目标是实现能够使该技术商业化的能力。尽管研究仍在继续，通过在瑞典博罗斯成立的查尔姆斯创业公司Sinonus AB，连接市场的努力得到了增强。
然而，在这些电池单元从小规模实验室生产转向大规模消费电子或车辆生产之前，还存在重大的工程挑战。
“我们可以很快看到如信用卡一般薄的手机，或重量减半的笔记本电脑。此外，车辆或飞机中的电子元件也可能使用结构性电池。满足交通行业对能量的苛刻要求需要进行大量投资，但这是我们的技术可能产生最重要影响的地方，”莱夫·阿斯普解释道，同时指出汽车和航空航天行业对此表现出了浓厚的兴趣。
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结构性电池是创新材料，除了储存能量外，还能支持负载。这使得电池材料能够与产品的建筑材料集成，显著减轻电动车、无人机、手持工具、笔记本电脑和智能手机的重量。
该领域的最新进展已在期刊《先进材料》中被记录。 contributors包括瑞查·乔杜里、乔汉娜·许、甄元夏和莱夫·阿斯普均来自查尔姆斯科技大学。
新开发的电池设计利用复合材料，碳纤维作为正负极，而正极则涂有磷酸铁锂涂层。与早期设计不同的是，早期设计在正极的核心部分使用了铝箔，当前使用碳纤维则增强了功能性。
这些电极中的碳纤维充当多重功能：作为阳极中的加强和电流收集器，以及作为阴极中的加强、集电器和锂的支架。由于碳纤维有效导电，减少了对铜或铝电流收集器的需求，进一步减轻了整体重量，消除了在电极设计中对钴或锰等冲突矿物的需求。
电池依靠锂离子通过半固态电解质在端子之间迁移，而不是使用液体，这在实现高功率方面提出了挑战，并需要进一步研究。这种设计还提高了电池单元的安全性，降低了火灾风险。
该研究得到了瓦伦贝里可持续发展材料科学倡议（WISE）项目的支持。
