查爾默斯科技大學(xué)的研究人員研制出了一種結(jié)構(gòu)電池，其性能比以前所有型號(hào)的電池都要好十倍。它含有碳纖維，可以同時(shí)作為電極、導(dǎo)體和承重材料。他們最新的研究突破為汽車和其他技術(shù)的“無(wú)質(zhì)量”儲(chǔ)能鋪平了道路。

如今的電動(dòng)汽車中，電池占了汽車重量的很大一部分，卻沒(méi)有任何承載功能。另一方面，結(jié)構(gòu)電池既是動(dòng)力源，又是結(jié)構(gòu)的一部分——例如，在汽車車身中。這被稱為“無(wú)質(zhì)量”能量存儲(chǔ)，因?yàn)閺谋举|(zhì)上說(shuō)，當(dāng)電池成為承重結(jié)構(gòu)的一部分時(shí)，它的重量就消失了。計(jì)算表明，這種多功能電池可以大大減輕電動(dòng)汽車的重量。

查爾默斯理工大學(xué)(ChalmersUniversityofTechnology)的結(jié)構(gòu)電池的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了多年的研究，包括之前涉及某些類型的碳纖維的發(fā)現(xiàn)。除了堅(jiān)硬和堅(jiān)固之外，它們還具有良好的化學(xué)儲(chǔ)存電能的能力。這項(xiàng)工作被《物理世界》評(píng)為2018年十大科學(xué)突破之一。

結(jié)構(gòu)性電池復(fù)合材料不能存儲(chǔ)與鋰離子電池一樣多的能量，但是具有多種特性，使其在車輛和其他應(yīng)用中具有很高的吸引力。當(dāng)電池成為承重結(jié)構(gòu)的一部分時(shí)，電池的質(zhì)量實(shí)際上“消失了”。

人們?cè)缭?007年就開(kāi)始嘗試制造結(jié)構(gòu)電池，但到目前為止，要同時(shí)制造具有良好電氣和機(jī)械性能的電池還是很困難的。但是現(xiàn)在，Chalmers的研究人員與斯德哥爾摩的KTH皇家理工學(xué)院合作，提出了一種結(jié)構(gòu)電池，在電能存儲(chǔ)、剛度和強(qiáng)度方面，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往任何東西。它的多功能性能比以前的結(jié)構(gòu)電池原型高出10倍。

這種電池的能量密度為24Wh/kg，這意味著與目前可用的鋰離子電池相比，其容量約為20%。但是由于汽車的重量可以大大減少，例如，駕駛電動(dòng)汽車所需的能源就會(huì)更少，而更低的能量密度也會(huì)提高安全性。并且具有25GPa的剛度，結(jié)構(gòu)電池真的可以與許多其他常用的建筑材料競(jìng)爭(zhēng)。

他說(shuō)，以前的一些制造結(jié)構(gòu)電池的嘗試，要么使電池具有良好的機(jī)械性能，要么使電池具有良好的電氣性能。但在這里，我們使用碳纖維成功地設(shè)計(jì)出了一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能能力和剛性的結(jié)構(gòu)電池，查爾默斯大學(xué)教授、該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人LeifAsp解釋道。

JohannaXu博士在查默斯（Chalmers）的復(fù)合實(shí)驗(yàn)室中擁有一個(gè)新制造的結(jié)構(gòu)電池，她向LeifAsp展示了該電池。電池由碳纖維電極和磷酸鐵鋰電極組成，由玻璃纖維織物隔開(kāi)，所有電極均浸漬有結(jié)構(gòu)性電池電解質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣的綜合功能。三個(gè)結(jié)構(gòu)電池已串聯(lián)連接，并作為較大的復(fù)合層壓板的一部分進(jìn)行層壓。每個(gè)結(jié)構(gòu)電池的標(biāo)稱電壓為2.8V。層壓板的總電壓為8.4V，平面剛度剛好超過(guò)28GPa。

超輕型電動(dòng)自行車和消費(fèi)電子產(chǎn)品可能很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)

這種新型電池有一個(gè)由碳纖維制成的負(fù)極，和一個(gè)由涂有磷酸鋰的鋁箔制成的正極。它們被電解質(zhì)基質(zhì)中的玻璃纖維織物隔開(kāi)。盡管他們成功地創(chuàng)造了一種比之前所有電池都好十倍的結(jié)構(gòu)電池，研究人員并沒(méi)有選擇這種材料來(lái)嘗試打破記錄——相反，他們想要調(diào)查和了解材料結(jié)構(gòu)和隔板厚度的影響。

現(xiàn)在，一個(gè)由瑞典國(guó)家航天局資助的新項(xiàng)目正在進(jìn)行中，結(jié)構(gòu)電池的性能將進(jìn)一步提高。鋁箔將被碳纖維取代，作為正極的承重材料，提供更高的剛度和能量密度。玻璃纖維隔板將被超薄隔板取代，效果更好，充電周期也更快。新項(xiàng)目預(yù)計(jì)在兩年內(nèi)完成。

領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目的LeifAsp估計(jì)，這種電池可以達(dá)到75Wh/kg的能量密度和75GPa的剛度。這將使電池的強(qiáng)度和鋁差不多，但重量相對(duì)要輕得多。

下一代結(jié)構(gòu)電池具有巨大的潛力。如果你看看消費(fèi)技術(shù)，很有可能在幾年內(nèi)生產(chǎn)出智能手機(jī)、筆記本電腦或電動(dòng)自行車，它們的重量只有現(xiàn)在的一半，而且更緊湊。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，完全可以想象，電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)和衛(wèi)星將使用結(jié)構(gòu)電池來(lái)設(shè)計(jì)和提供動(dòng)力。