輕量儲(chǔ)能技術(shù)的需求正在推動(dòng)汽車電池和其他電子產(chǎn)品用碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展。

在移動(dòng)和便攜式電子設(shè)備爆炸以及無人機(jī)和電動(dòng)汽車（EV）的普及的推動(dòng)下，這場研究競賽正致力于開發(fā)新的輕質(zhì)材料用于儲(chǔ)能技術(shù)，特別是具有更長壽命和更高重量和體積效率的材料。碳和復(fù)合材料幾十年來一直是儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成部分，其中一個(gè)顯著的例子是石墨碳，它包含鋰離子電池的陽極。陽極通常由金屬或金屬氧化物制成的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，再加上聚合物涂層、阻擋層和某種類型的陰極，形成電位，使電子流過電路。填充導(dǎo)電材料的碳纖維/聚合物基復(fù)合材料也被用于電磁干擾（EMI）屏蔽材料，廣泛應(yīng)用于特種航天、汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

復(fù)合材料儲(chǔ)能的一個(gè)新興研究方法是通過最先進(jìn)的材料將電池、燃料電池和電容器的質(zhì)量最小化，最終目標(biāo)是提高總功率密度。“如今的問題之一是，電池重量的50%左右可以用于不產(chǎn)生能量的部件，”IDTechEx（英國倫敦）高級(jí)技術(shù)分析師RidCollins博士說，該公司對(duì)新興技術(shù)（包括先進(jìn)材料）進(jìn)行了獨(dú)立的市場研究。

例如，在為電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車供電的電池組中，電力系統(tǒng)總質(zhì)量的一個(gè)必要組成部分是電池外殼。汽車熱管理專家ZircotecGroup（英國Abingdon）的技術(shù)總監(jiān)SimonHiiemae說：“高電壓電池，性能電動(dòng)汽車可以達(dá)到1000伏以上，會(huì)產(chǎn)生很多射頻噪聲。”Hiiemae指出，保護(hù)集成在電動(dòng)汽車中的敏感控制電子設(shè)備的一種方法是將電池放在金屬盒中，通常是鋁，用作法拉第籠，以吸收來自電池本身或周圍來源的電磁場或射頻干擾；然而，這增加了相當(dāng)大的重量。用輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料代替金屬可以減輕重量，但大多數(shù)復(fù)合材料對(duì)射頻噪聲是透明的，不能提供所需的干擾防護(hù)水平。

Zircotec集團(tuán)推出了一種解決這一技術(shù)難題的方法：一種導(dǎo)電的兩部分涂層系統(tǒng)，可以很容易地應(yīng)用于由碳纖維或玻璃纖維填充復(fù)合材料制成的電池外殼。涂層的第一層是一層薄的鋁合金粘合層，直接涂在復(fù)合材料上，不含任何溶劑或粘合劑，并提供保護(hù)電池不受干擾所需的導(dǎo)電性。第二，在第一金屬層上涂上陶瓷層，保護(hù)其不受磨損和腐蝕；此外，可以對(duì)該陶瓷層進(jìn)行修改，以納入熱障保護(hù)，保護(hù)電池免受外部熱源的影響。Hiiemae報(bào)告說，許多汽車制造商正在對(duì)涂層進(jìn)行測試；他說，與鋁相比，復(fù)合電池外殼可以節(jié)省高達(dá)4千克/平方米的重量。

多功能材料

在儲(chǔ)能行業(yè)也獲得了吸引力的是一種能夠產(chǎn)生電流或儲(chǔ)存電荷的結(jié)構(gòu)層壓板，這種方法試圖將結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)集成到耗電產(chǎn)品中。這類多功能材料20多年前首次提出并在研究中探索，主要針對(duì)特種和先進(jìn)特種航天應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)全面商業(yè)化的道路上仍然面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。然而，在過去的五到六年中，多功能材料的發(fā)展在幾個(gè)方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

復(fù)合結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器（SSC）具有特殊的發(fā)展?jié)摿Γ糠衷蚴瞧浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。SSC通過電極/電解質(zhì)界面處的靜電電荷積累來存儲(chǔ)能量，通常設(shè)計(jì)為兩個(gè)碳多孔電極的夾層結(jié)構(gòu)，由一個(gè)膜隔開并嵌入具有高離子導(dǎo)電性的液體電解質(zhì)中。傳統(tǒng)商用超級(jí)電容器提供高能量和功率密度、長周期壽命和在各種溫度和條件下可靠運(yùn)行。idtechex公司的柯林斯說，雖然SSC有朝一日可以用于為火車或汽車提供動(dòng)力，但最早的商業(yè)SSC應(yīng)用可能是用于特種用途的無人駕駛飛行器（UAV）。柯林斯說：“集成到無人機(jī)中的SSC可以顯著延長射程和特種時(shí)間，這是一個(gè)關(guān)鍵的性能需求。”“此外，第一個(gè)商用SSC的建造成本很高，因此它們很可能最適合特種類型的項(xiàng)目。”

多功能材料研究步伐的加快有助于推動(dòng)該技術(shù)走向商業(yè)化。例如，歐盟資助的一個(gè)項(xiàng)目“巫師”正在為電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)的輕型結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能材料的研究提供支持。該項(xiàng)目旨在開發(fā)可用于結(jié)構(gòu)電池和結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的先進(jìn)材料和技術(shù)。

另一個(gè)項(xiàng)目涉及IMDEA材料研究所（西班牙Getafe）的一組研究人員與歐盟資助的一些項(xiàng)目（如巫師項(xiàng)目，包括空客項(xiàng)目）的一些特種航天合作。該小組演示了一種新型的電雙層電容器（EDLC）的結(jié)構(gòu)，這種電容器由薄夾層結(jié)構(gòu)制成。這些結(jié)構(gòu)是交錯(cuò)的，包括碳納米管（CNT）纖維面紗和注入環(huán)氧樹脂的碳纖維層之間的離子型、液基聚合物電解質(zhì)。JuanJoseVilatela博士是多功能納米復(fù)合材料小組的成員之一，他說，該項(xiàng)目生產(chǎn)的復(fù)合材料對(duì)于分別達(dá)到88mf/g和30wh/kg的高比電容和功率密度是值得注意的。這比性能最好的結(jié)構(gòu)材料高一到三個(gè)數(shù)量級(jí)。該材料的能量密度也為37.5Wh/kg，是目前研究的結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的最高測量值之一。

Vilatela說，碳納米管具有比碳纖維織物大1000倍的表面積的固有優(yōu)勢(shì)。碳納米管還具有很高的電化學(xué)穩(wěn)定性。為了制造EDLC復(fù)合材料，在八層（4+4）Hexcel（Stamford，CT，US）Hexforce高強(qiáng)度碳纖維織物（G0926）之間設(shè)置一個(gè)薄的EDLC夾層，真空注入由AshlandChemical（Columbus，OH，US）提供的環(huán)氧乙烯基酯樹脂Derakane8084，并在48小時(shí)內(nèi)完全固化。室溫。中間層由一個(gè)夾層結(jié)構(gòu)組成，該夾層結(jié)構(gòu)從中間向外包括一個(gè)約100-120微米厚的聚合物電解質(zhì)膜，設(shè)置在兩個(gè)CNT纖維板之間，兩個(gè)CNT纖維板都固定在薄鋁集流板上。以鐵、硫催化劑和丁烷為碳源，采用直接紡絲法合成了碳納米管纖維。

在定位在碳纖維織物的外層之間之前，向夾層施加少量壓力，以將軟電解質(zhì)膜浸漬到多孔CNT纖維板中。本研究所制備的EDLC樣品約為4平方厘米（典型層壓板結(jié)構(gòu)梁的尺寸），盡管Vilatela說，自立式EDLCS可在不需要額外結(jié)構(gòu)支撐的情況下使用，但其尺寸可高達(dá)100平方厘米。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中EDLC樣品的現(xiàn)場機(jī)電測量表明，電化學(xué)性能一直保持到斷裂點(diǎn)。考慮到該材料作為一種結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能材料的應(yīng)用，該試驗(yàn)是對(duì)其性能的關(guān)鍵驗(yàn)證。

IMDEA集團(tuán)使用單向CNT織物建造SSC，將該項(xiàng)目與使用各種“活性”碳纖維織物作為儲(chǔ)能材料的類似并行工作區(qū)分開來。Vilatela等人引用的一個(gè)這樣的項(xiàng)目。發(fā)表在科學(xué)報(bào)告（2018年2月）上的論文，使用注入技術(shù)在碳纖維織物周圍生長高比表面積碳?xì)饽z（CAG）。結(jié)合含有10%鋰離子的乙二醇基質(zhì)，該技術(shù)產(chǎn)生的材料的計(jì)算能量密度僅為0.84mwhkg，與包含CNT纖維的EDLC獲得的能量密度相比，該材料的能量密度較低。這項(xiàng)技術(shù)，特別是在使用高比表面積復(fù)合材料時(shí)，產(chǎn)生了一種剪切模量為895兆帕的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相當(dāng)。相比之下，IMDEA研究中的CNT復(fù)合材料的彎曲模量為60gpa，彎曲強(qiáng)度為153mpa，其值與典型的未填充聚酰亞胺相當(dāng)，低于主要結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用的復(fù)合材料所需的強(qiáng)度和剛度特性。

每一個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果都表明，在廣泛的筆觸中，開發(fā)完全商業(yè)化的多功能材料所面臨的挑戰(zhàn)之一，該材料適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：即，很難建造具有足夠電氣和結(jié)構(gòu)性能的復(fù)合材料。

柯林斯認(rèn)為，目前結(jié)構(gòu)和電氣性能之間的權(quán)衡不會(huì)成為該技術(shù)采用和商業(yè)化的主要障礙。他說：“我不認(rèn)為這些新型復(fù)合儲(chǔ)能材料結(jié)構(gòu)性能的下降會(huì)限制其有效性，因?yàn)榧词剐阅苌圆畹奶祭w維增強(qiáng)材料，其強(qiáng)度和剛度仍足以在某些應(yīng)用中發(fā)揮作用。”更大的問題，他認(rèn)為，是如何設(shè)計(jì)和機(jī)械地整合固體聚合物電極和電絕緣但離子導(dǎo)電的分離器的問題。其他挑戰(zhàn)包括經(jīng)濟(jì)有效的制造和安全。

汽車能源技術(shù)領(lǐng)先

然而，在汽車比賽中，先進(jìn)材料儲(chǔ)能的未來已經(jīng)到來。自2014年以來，第一款全電動(dòng)FIA賽車系列的E級(jí)方程式賽車采用先進(jìn)的多功能復(fù)合材料800V結(jié)構(gòu)電池供電。電池技術(shù)是由威廉斯先進(jìn)工程公司（英國格羅夫）開發(fā)和制造的，該公司是為E級(jí)方程式電網(wǎng)制造汽車電池的唯一供應(yīng)商。典型的E級(jí)方程式賽車大約有250馬力（190千瓦），可以在3秒內(nèi)從0加速到100公里小時(shí)（0到62英里小時(shí)），最大速度為225公里/小時(shí)（140英里/小時(shí)）。有關(guān)威廉斯高級(jí)工程公司（WilliamsAdvancedEngineering）用于消費(fèi)類車輛的結(jié)構(gòu)電池系統(tǒng)（如電池電動(dòng)FW-EVX）的更多信息，請(qǐng)參見CW2018年11月的《專注于設(shè)計(jì)故事》（FocusonDesignStory）“推動(dòng)電動(dòng)汽車向前發(fā)展”（PushingEVSForward）。

另一方面，現(xiàn)代汽車集團(tuán)（韓國首爾）正利用SGL集團(tuán)（德國威斯巴登）提供的氫燃料電池技術(shù)制造其零排放汽車Nexo。這輛生產(chǎn)型汽車涵蓋了汽車制造商和SGL多年的開發(fā)工作和合作，在此期間，現(xiàn)代優(yōu)化了Ix35示范燃料電池汽車上的氫動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和其他部件。自2018年3月開始生產(chǎn)以來，現(xiàn)代已報(bào)告平均每月銷售約45輛，如果能夠保持這種速度，那么將在2018年達(dá)到500輛以上的銷量，這是氫燃料電池汽車新的一年銷售記錄。

NEXO的核心技術(shù)是Sigracet燃料電池，一種由SGL開發(fā)和銷售的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）通過將氫燃料轉(zhuǎn)化為電能來產(chǎn)生電化學(xué)動(dòng)力，其副產(chǎn)品只有水和熱。單個(gè)PEMFC電池由兩個(gè)流場組成，包括兩個(gè)氣體擴(kuò)散層（GDL）和兩個(gè)碳支撐的貴金屬催化劑層，每個(gè)層由質(zhì)子交換膜隔開。反過來，GDL是一種雙層結(jié)構(gòu)，由大孔背襯材料（碳纖維紙）和微孔碳基層組成。膜電極組件被構(gòu)建為一個(gè)分層的層壓板，其中一個(gè)GDL作為陽極，另一個(gè)GDL層作為陰極。PEMFC夾在由石墨、涂層鋼或鈦制成的兩個(gè)雙極板（BPP）之間。BPP構(gòu)成了煙囪的結(jié)構(gòu)部件，并且設(shè)計(jì)有通道來容納冷卻劑流和水出口。汽車PEMFC系統(tǒng)通常由多達(dá)400個(gè)電池組組成，功率輸出約為80至120千瓦。

復(fù)合材料在儲(chǔ)能方面正在取得進(jìn)展，但要使更清潔、更輕的能源成為大規(guī)模的現(xiàn)實(shí)，將取決于在燃料電池、結(jié)構(gòu)電池和結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器等先進(jìn)技術(shù)方面的細(xì)節(jié)。

IDTechEx研究并評(píng)價(jià)了多種多功能聚合物復(fù)合材料的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）。評(píng)級(jí)系統(tǒng)基于一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括研究是否仍然主要是學(xué)術(shù)性的（產(chǎn)生較低的評(píng)級(jí)），技術(shù)是否正在原型化或測試（產(chǎn)生較高的評(píng)級(jí)），或者技術(shù)是否達(dá)到商業(yè)化（最高評(píng)級(jí)）。數(shù)據(jù)挖掘表明，根據(jù)IDTechEx的標(biāo)準(zhǔn)，用于儲(chǔ)能和儲(chǔ)能的多功能材料仍處于相對(duì)早期的開發(fā)階段——略高于自愈材料和完全嵌入的電路，但落后于電力傳輸和嵌入式傳感器。柯林斯指出：“例如，當(dāng)你觀察SSC的電極時(shí)，其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何適當(dāng)?shù)馗纳票砻娣e。”“CNT顯示出了承諾，但仍有辦法在商業(yè)上證明這一點(diǎn)。”