瑞典查爾姆斯大學利用碳纖維在結構電池領域取得突破
瑞典查爾姆斯大學和瑞典皇家理工學院的科研人員合作制造出一種性能參數為現有產品10倍的結構電池,這種電池由碳纖維制成,也可作為電極、導線和承載材料,為在運輸載具上實現“無質量”能量存儲鋪平了道路。
在目前的電動運輸載具中,電池占了重量的很大一部分,卻無法擔負任何承載功能。而結構電池既能供電又能承載,可以大大減小電動載具的重量。查爾姆斯大學在結構電池開發方面已進行了多年的研究,包括先前研究中涉及的某些類型碳纖維。這些碳纖維除了有很好的剛度和強度外,還具有良好的化學存儲電能的能力。這項成果當時被《物理學》(Physics World)評為2018年十大科學突破之一。
查爾姆斯大學雖然早在2007年就開始嘗試制造結構電池,但此前制造具有良好電氣和機械性能的電池還是非常是困難的。
該團隊此次研發的結構電池使用碳纖維作為負極,涂覆有磷酸鐵鋰的鋁箔作為正極,碳纖維充當主體材料既存儲能量,還可傳導電子,避免了對銅和銀導體的需求,進一步減輕了重量。碳纖維和鋁箔都有助于提高結構電池的力學性能,兩種電極材料在結構電解質基質中通過玻璃纖維織物分隔。電解質的任務是在電池的兩個電極之間傳輸鋰離子,同時也在碳纖維和其他部件之間傳遞載荷。
該電池的能量密度為24Wh/kg,雖然只是目前可用的同類鋰離子電池的20%,但是由于可以大大減輕載具的重量,因此也減少了驅動載具所需的能量,較低的能量密度有助于增加安全性。同時,該結構電池的剛度為25GPa,與許多常用的建筑材料相當。
該項目是由查爾默斯理工大學和瑞典皇家理工學院(KTH)合作進行的,電池的電解質量由KTH開發,研究人員來自五個不同學科:材料力學,材料工程,輕質結構,應用電化學以及纖維和聚合物技術。
該研究得到了歐盟“潔凈天空”2計劃和美國空軍的資助,相關論文《A Structural Battery and its Multifunctional Performance》已在Advanced Energy & Sustainability Research期刊上發表。
盡管他們成功地制造出了比現有電池都好十倍的結構電池,但研究人員們并沒有選擇通過嘗試不同的材料來進一步打破記錄,而是希望通過研究來了解材料架構和隔板厚度的影響。
目前,該團隊正在瑞典航天局的一項新項目的資助下進一步提高結構電池的性能,鋁箔將被碳纖維取代作為正極中的承載材料,從而同時提高剛度和能量密度。玻璃纖維隔板將被超薄的隔板替代,這將帶來更大的效果以及更快的充電周期。新項目預計將在兩年內完成,據科研人員估計,新的結構電池的能量密度可以達到75Wh/kg,剛度可以達到75 GPa,電池的強度與鋁差不多,但重量要輕得多。










































