「結構電池」新突破丨未來電池或像「脂肪」一樣遍布全車？

    過去一段時間，關於結構電池的討論及研究正風生水起。

 

    今年九月底的特斯拉“電池日”上，ElonMusk就曾許下承諾：除了無鈷陽極和純鎳陰極等高能技術外
，他們還會將電池變成車架

，在提升車輛強度的同時幫助電動車減重10%，而減重則意味著續航提升。

 

    談到這一點時
，Musk直言特斯拉的結構電池將是工程上的革命。

 

    不過，對於不少電池領域研究者來說，Musk口中所描繪的未來，他們早已見識過。“它並非嵌入式電池，因為材料自身就是能源存儲設備。實話說
，他們說的事我們十年前就已經做過了。”帝國大學材料科學家EmileGreenhalgh說道。

 

    在結構電池領域

，Greenhalgh是世界級頂尖專家

，他們的目標是盡可能地抹除電池與其他物體間的邊界。

 

    當(dang)下(xia)，電(dian)池(chi)組(zu)占(zhan)據(ju)了(le)絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)中(zhong)大(da)部(bu)分(fen)的(de)空(kong)間(jian)及(ji)重(zhong)量(liang)。譬(pi)如(ru)電(dian)動(dong)車(che)
，車(che)重(zhong)的(de)三(san)分(fen)之(zhi)一(yi)都(dou)來(lai)自(zi)電(dian)池(chi)組(zu)。由(you)此(ci)，特(te)斯(si)拉(la)便(bian)提(ti)出(chu)將(jiang)電(dian)池(chi)變(bian)成(cheng)車(che)架(jia)
，而(er)非(fei)將(jiang)電(dian)池(chi)組(zu)安(an)裝(zhuang)在(zai)車(che)架(jia)上(shang)（比如讓電池組充當底盤，砍掉原本支持電池組的底盤結構）。

 

    Greenhalgh和他的團隊則提出了更“激進”的方案：直接舍棄電池組
，使用車體去做能量存儲，新的結構電池可以完全“隱形”。

 

    在Greenhalgh看來，電能應該存儲於製作車體的複合材料中，從這個角度出發，電池就不算作額外重量了
，因為整個車都將是電池。

 

    “這樣的方案讓各類材料同時承擔了兩項工作。”Greenhalgh說道
，“這種新的電動車設計方案能大大提升車輛性能與安全性。”

 

    結構電池來臨

 

    手機或電動車的鋰電池主要由四個部分組成：陰極、陽極
、電解液和隔板。當電池放電時，鋰離子會從陽極（負極）流向陰極（正極），中間會通過可滲透的隔板，以防止短路。

 

    在傳統電池中，這些元器件的狀態已經成型：要麼疊加式要麼滾筒式。

 

    而在結構電池裏，我們可以對這些元器件進行重新配置，以便嵌入不規則的模具中，且能承受巨大的物理壓力。

 

    結構電池的形態不像立方體或圓柱體，它們看起來更像機翼、車體或者手機殼。

 

    世界上首個結構電池誕生在2005年的美國軍隊中
，當時電池的電極用到了碳纖維材料。

 

    碳(tan)纖(xian)維(wei)是(shi)一(yi)種(zhong)輕(qing)質(zhi)的(de)新(xin)材(cai)料(liao)，一(yi)直(zhi)以(yi)來(lai)都(dou)是(shi)飛(fei)機(ji)機(ji)身(shen)及(ji)高(gao)性(xing)能(neng)汽(qi)車(che)的(de)最(zui)愛(ai)。除(chu)了(le)上(shang)述(shu)特(te)性(xing)，在(zai)存(cun)儲(chu)鋰(li)離(li)子(zi)方(fang)麵(mian)，碳(tan)纖(xian)維(wei)也(ye)比(bi)較(jiao)在(zai)行(xing)，因(yin)此(ci)它(ta)也(ye)成(cheng)了(le)其(qi)它(ta)碳(tan)基(ji)材(cai)料(liao)，譬(pi)如(ru)石(shi)墨(mo)（一般用在陽極上）的絕佳替代品。

 

    buguozaijiegoudianchili，tanxianweixuyaohunheleisilinsuantiedefanyingcailiaolaichongdangyinji
，ranhouyongyizhangbobodebianzhibolipianjianglianggedianjigekai，butongdecengjixuanfuzaidianjieyezhong。

 

    通過以上工藝，結構電池可以做到幾百萬分之一米厚，且可以切割成任何需要的形狀。

 

    Greenhalgh之外，瑞典查爾姆斯理工大學材料科學家LeifAsp在過去十年裏也一直站在結構電池研究的最前沿。

 

    2010年，Asp、Greenhalgh和一個歐洲科學家團隊合作開展了名為“存儲”（Storage）的項目。其目標就是打造出結構電池並將其集成到沃爾沃的混合動力原型車中。

 

    Asp表示：“我們當時並不認為它會對社會產生多大影響
，但隨著項目不斷深入，我開始覺得這可能是個非常有用的想法。”

 

    在他看來
，傳統電池應該被定性為“結構寄生蟲”。他指出
，結構電池的主要好處在於
，可以增加電動車續航裏程。

 

    “我們需要關注能源效率，”Asp說道，在一個大部分電力仍由化工燃料生產的世界裏
，每一個電子在對抗氣候變化的過程中都異常重要。

 

    在為期三年的項目實驗中，Storage團隊成功將商用鋰電池集成到了整流罩中。不過，它不是汽車的主電池，而是一個較小的輔助電池組
，當車輛在等紅燈時，它能為空調、音響和燈光提供電力。

 

    值得注意的是
，這是第一個集成在汽車車身結構電池的概念驗證，本質上是特斯拉試圖實現相關效果的mini版。

 

    不過，將一堆傳統鋰電池夾在車身裏，依然不如讓汽車的車身充當電池來得高效。在Storage項目裏
，Asp和Greenhalgh還開發了一種結構化的超級電容（用作後備箱蓋）。

 

    超chao級ji電dian容rong類lei似si於yu電dian池chi，但dan以yi靜jing電dian荷he的de形xing式shi儲chu存cun能neng量liang，而er不bu是shi化hua學xue反fan應ying。這zhe個ge化hua身shen超chao級ji電dian容rong的de後hou備bei箱xiang蓋gai是shi由you兩liang層ceng注zhu入ru氧yang化hua鐵tie和he氧yang化hua鎂mei的de碳tan纖xian維wei組zu成cheng，中zhong間jian用yong絕jue緣yuan層ceng隔ge開kai。整zheng個ge堆dui棧zhan被bei層ceng壓ya板ban包bao裹guo，並bing被bei塑su造zao成cheng後hou備bei箱xiang的de形xing狀zhuang。

 

    超級電容的能量儲存量遠不如電池，但它們在快速輸送少量電荷方麵非常出色。Greenhalgh還表示，它們也更容易使用，是搞定結構電池的必要墊腳石。

 

    沃爾沃做這輛車是為了進行概念驗證
，證明結構化儲能在電動車中是可行的，而Storage項目的成功也引發了對結構電池的大量炒作。

 

    不過，盡管有了一定的苗頭，但該團隊還是花了幾年時間才從歐盟委員會拿到了更多資金。“這是一項非常具有挑戰性的技術
，不是扔幾百萬英鎊就能解決的。”Greenhalgh談到融資困難時說道。

 

    今年夏天，該團隊又開啟了一項名為“Sorcerer”（意為魔術師）的研究項目
，其目標是開發商用飛機可用的結構性鋰電池。

 

    航空市場可以說是結構儲能的殺手應用
，商用飛機會產生大量排放，但客機的電動化卻是一大挑戰

，因為它們能耗太高。

 

    航空煤油雖會汙染環境，但它的能量密度卻是最先進商用鋰電池的30倍左右。在一架普通的150座客機上
，這意味著每人的飛行需要大約1噸電池來支撐。

 

    換句話說：如果你試圖用現有的電池為這架飛機供電，這架飛機將永遠無法起飛上天。

 

    無論是空客這樣的航天巨頭，還是Zunum這樣的初創公司，他們多年來都在致力於客機的電氣化。不過即使他們成功了，在飛機上裝滿傳統電池也有重大安全風險。

 

    大型電池組一旦短路，可能會引起災難性的火災或爆炸。“航空航天產業非常保守，用真正的高功率電池包裹住飛機會讓它們坐立不安。”Greenhalgh解jie釋shi道dao，新xin興xing的de電dian池chi化hua學xue配pei方fang，包bao括kuo固gu體ti電dian解jie質zhi，可ke以yi降jiang低di風feng險xian
，但dan滿man足zu客ke機ji的de巨ju大da能neng量liang需xu求qiu仍reng然ran困kun難nan重zhong重zhong
，這zhe個ge問wen題ti可ke以yi用yong結jie構gou電dian池chi來lai解jie決jue。

 

    作為Sorcerer項目的一部分，Asp和他的同事們打造了由薄層碳纖維製成的結構電池，這些電池可以用來製造飛機的機艙或機翼部分。

 

    與十年前他們在Storage項目中生產的電池相比，Sorcerer團隊開發的實驗性電池機械性能和能量密度都有顯著提高。“眼下
，我們打造的材料在儲能和機械方麵已經有被替代係統二到三成的功力了，”Asp說道。“這是一個巨大的進步”。

 

    不bu過guo
，在zai結jie構gou電dian池chi走zou出chu實shi驗yan室shi，進jin入ru現xian實shi世shi界jie的de過guo程cheng中zhong，解jie決jue了le技ji術shu挑tiao戰zhan也ye隻zhi能neng算suan勝sheng利li了le一yi半ban。政zheng府fu對dui汽qi車che和he航hang空kong產chan業ye監jian管guan非fei常chang嚴yan格ge，製zhi造zao商shang往wang往wang利li潤run微wei薄bo。

 

    這意味著將新材料引入汽車和飛機需要向監管機構證明其安全性，並向製造商證明其優越的性能。

 

    當(dang)結(jie)構(gou)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)時(shi)，鋰(li)離(li)子(zi)在(zai)碳(tan)纖(xian)維(wei)陰(yin)極(ji)中(zhong)進(jin)進(jin)出(chu)出(chu)
，從(cong)而(er)改(gai)變(bian)其(qi)形(xing)狀(zhuang)和(he)機(ji)械(xie)性(xing)能(neng)。對(dui)於(yu)製(zhi)造(zao)商(shang)和(he)監(jian)管(guan)機(ji)構(gou)來(lai)說(shuo)，能(neng)夠(gou)準(zhun)確(que)預(yu)測(ce)這(zhe)些(xie)結(jie)構(gou)電(dian)池(chi)在(zai)使(shi)用(yong)時(shi)的(de)反(fan)應(ying)
，以(yi)及(ji)如(ru)何(he)影(ying)響(xiang)它(ta)們(men)所(suo)驅(qu)動(dong)的(de)車(che)輛(liang)的(de)性(xing)能(neng)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。

 

    為此

，Greenhalgh和Asp正在搭建數學模型。這些模型將準確地顯示結構電池打造的車輛在使用過程中的結構變化。

 

    Aspzhichu
，youyujiegoudianchiduigonglvdeyaoqiuhengao

，erqiezaijianguanfangmianyemianlinzhetiaozhan
，yincizaiqichezhongpujijiegoudianchikenenghaixuyaoshiduonianshijian。tayuce，zaizhezhiqian，jiegoudianchihuishouxianzaixiaofeidianzichanpinzhongqiangtandenglu。

 

    微電子領域先爆發
？

 

    對於以上觀點，西北太平洋國家實驗室電池與材料係統組首席科學家兼主管肖傑表示讚同，“結構電池在微電子領域的應用是極具前景及常被忽視的。”

 

    “結構電池對微電子設備非常有幫助
，因為後者體積有限。”肖傑說道，雖然可以將傳統電池生產到黃豆大小
，但這些電池在微電子領域仍然體積過大
，而結構電池所占的空間不會超過設備本身。

 

    在(zai)西(xi)北(bei)太(tai)平(ping)洋(yang)國(guo)家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)
，肖(xiao)傑(jie)和(he)她(ta)的(de)同(tong)事(shi)們(men)研(yan)究(jiu)了(le)微(wei)型(xing)電(dian)池(chi)設(she)計(ji)的(de)一(yi)些(xie)基(ji)本(ben)問(wen)題(ti)，比(bi)如(ru)當(dang)結(jie)構(gou)電(dian)池(chi)彎(wan)曲(qu)或(huo)扭(niu)曲(qu)時(shi)，如(ru)何(he)保(bao)持(chi)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)對(dui)齊(qi)。

 

    “從設計的角度出發，你的正極和負極相對立是非常重要的
，”肖傑解釋道。“所以即使我們可以利用空隙，如果這些電極不對齊，它們也不會參與化學反應，這就限製了不規則形狀結構電池的設計。”

 

    肖傑和她的團隊已經為微型結構電池進行了一些小眾的科學應用
，比如鮭魚和蝙蝠的注射式追蹤標簽。但她說，這些技術要想在假肢

、電子皮膚等新興技術中找到主流應用還需要一段時間。

 

    與此同時，結構電池可能還是高能耗機器人的福音。在密歇根大學安阿伯校園的實驗室裏，化學家NicholasKotov就與研究生一起開發了不少小型仿生機器人。

 

    “生物體將能量儲存分布在整個身體中，以便它們發揮雙重或三重功能，”Kotov說道。“脂肪是一個很好的例子，它存儲了大量能量。但問題是：我們如何複製它？”

 

    該團隊的目標是創造出能模仿動物的仿生機器，因此他們需要一個能與機器人骨骼整合的動力源
，就像脂肪和肌肉對人類一樣。

 

    他們最新的一些作品包括機器蠍子、蜘蛛、螞蟻和在地板上溜達的毛毛蟲，所有這些機器人都是由一個獨特的結構電池提供動力，與它們的運動部件集成在一起。

 

    電dian池chi像xiang一yi個ge銀yin色se外wai殼ke一yi樣yang安an置zhi在zai機ji器qi人ren背bei麵mian，它ta既ji能neng給gei機ji器qi人ren機ji械xie內nei髒zang供gong電dian
，又you能neng保bao護hu機ji器qi人ren的de機ji械xie內nei髒zang。這zhe是shi從cong自zi然ran界jie中zhong汲ji取qu靈ling感gan，以yi改gai進jin那na些xie非fei自zi然ran的de東dong西xi。

 

    與Asp和Greenhalgh正在開發的碳纖維和鋰離子隔板不同

，Kotov和他的學生為他們的仿生機器人創造了一種“鋅-空氣”結構電池。

 

    這種電池化學成分讓它比傳統鋰電池儲能更多。它由鋅陽極、碳tan布bu陰yin極ji和he由you聚ju合he物wu納na米mi纖xian維wei製zhi成cheng的de半ban剛gang性xing電dian解jie質zhi組zu成cheng
，這zhe種zhong半ban剛gang性xing電dian解jie質zhi是shi由you納na米mi工gong程cheng模mo擬ni軟ruan骨gu製zhi成cheng的de，而er電dian池chi中zhong的de能neng量liang載zai體ti是shi空kong氣qi中zhong的de氧yang氣qi與yu鋅xin相xiang互hu作zuo用yong時shi產chan生sheng的de氫qing氧yang離li子zi。

 

    車輛用的結構電池具有很高的剛性
，而Kotov團隊開發的電池則是要足夠柔韌，以配合機器人的動作。

 

    它們的能量密度也非常大
，正如Kotov和他的團隊今年早些時候發表的一篇論文所述，新的結構電池能量是相同體積的傳統鋰電池的72倍。目前
，他們的電池被用來為機器人玩具和小型無人機供電，但主要目的還是概念驗證。

 

    不過Kotov表示，預計在不久的將來，結構電池將被用於中型機器人以及大型無人機。

 

    過去，電池一直是個附加物
、限製因素
，如今
，它正在我們眼前逐步消失
，融進我們電氣化世界的架構中。

 

    未來，一切都可能是電池
，獨立的儲能設備將像固定電話或便攜式CD機一樣過時。雷鋒網