当汽车、飞机、轮船或计算机由兼具电池和承重结构功能的材料制造时，重量和能源消耗就会大大减少。瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组目前在所谓的无质量储能方面取得了世界领先的进展——一种结构电池可以将笔记本电脑的重量减半，使手机像信用卡一样薄，或者在一次充电后将电动汽车的行驶里程增加70%。
“我们已经成功地制造出了一种由碳纤维复合材料制成的电池，它和铝一样坚硬，能量密度足够高，可以用于商业用途。就像人体骨骼一样，电池同时具有多种功能，”查尔默斯大学的研究人员里查·乔杜里说，他是最近发表在《先进材料》杂志上的一篇科学文章的第一作者。
Chalmers对结构电池的研究已经进行了多年，在某些阶段也与瑞典斯德哥尔摩的KTH皇家理工学院的研究人员合作。2018年，雷夫·阿斯普教授和他的同事发表了他们关于坚硬、坚固的碳纤维如何以化学方式储存电能的第一批研究结果，这一进展引起了广泛关注。碳纤维可以用作锂离子电池电极的消息被广泛传播，这一成就被著名的《物理世界》(Physics World)评为年度十大突破之一。
更轻的重量需要更少的能量
从那时起，研究小组进一步发展了增加刚度和能量密度的概念。之前的里程碑是在2021年达到的，当时电池的能量密度为每公斤24瓦时(Wh/kg)，这意味着容量约为同类锂离子电池的20%。现在达到了30 Wh/kg。虽然这仍然比今天的电池低，但条件却大不相同。当电池是结构的一部分，也可以由轻质材料制成时，车辆的整体重量大大减少。那么就不需要那么多的能量来驱动一辆电动汽车了。
“如果我们要节约能源并为子孙后代着想，投资轻型和节能汽车是理所当然的事情。查尔姆斯大学工业与材料科学系教授、研究负责人雷夫·阿斯普说:“我们对电动汽车进行了计算，结果表明，如果它们拥有具有竞争力的结构电池，它们的行驶里程可以比现在延长70%。”
当涉及到车辆时，当然对设计有很高的要求，要足够坚固以满足安全要求。在那里，研究小组的结构电池显著提高了其刚度，或者更具体地说，弹性模量，以千兆帕斯卡(GPa)为单位，从25增加到70。这意味着这种材料可以像铝一样承载载荷，但重量更轻。
自2007年以来一直在研究结构电池的雷夫·阿斯普说:“就多功能特性而言，这种新电池是其前身的两倍，实际上是世界上最好的电池。”
走向商业化的几个步骤
从一开始，我们的目标就是实现一种性能，使这项技术有可能商业化。在研究继续进行的同时，与市场的联系也得到了加强——通过新成立的Chalmers风险投资公司Sinonus AB，总部设在瑞典boratlas。
然而，在电池从实验室小规模制造到大规模生产用于我们的技术设备或车辆之前，还有很多工程工作要做。
“可以想象，只有信用卡那么薄的手机或笔记本电脑的重量只有现在的一半，这是最接近现实的。也可能是汽车或飞机上的电子元件由结构电池供电。这将需要大量投资来满足运输行业具有挑战性的能源需求，但这也是该技术可以发挥最大作用的地方，”Leif Asp说，他注意到汽车和航空航天业对该技术非常感兴趣。
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结构电池是一种材料，除了储存能量外，还可以承载负载。通过这种方式，电池材料可以成为产品实际结构材料的一部分，这意味着可以实现更轻的重量，例如电动汽车，无人机，手持工具，笔记本电脑和移动电话。
该领域的最新进展发表在《先进材料》杂志上的文章《揭开多功能碳纤维结构电池》上。作者是查尔姆斯理工大学的Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia和Leif Asp。
开发的电池概念基于一种复合材料，并将碳纤维作为正极和负极，其中正极涂有磷酸铁锂。当以前的电池概念被提出时，正极的核心是由铝箔制成的。
电极材料中使用的碳纤维具有多功能。在阳极中，它充当增强剂，以及电集电极和活性材料。在阴极中，它作为强化物，电流收集器，并作为锂的支架。由于碳纤维可以传导电子电流，因此减少了对铜或铝(例如)制成的集流器的需求，从而进一步减轻了整体重量。在选择的电极设计中也不需要任何所谓的冲突金属，如钴或锰。
在电池中，锂离子通过半固态电解质在电池终端之间传输，而不是液体电解质，这在获得高功率时是具有挑战性的，因此需要更多的研究。同时，通过降低火灾风险，这种设计有助于提高电池的安全性。
该研究由瓦伦堡倡议材料科学可持续发展(WISE)项目资助。
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