科技日報(bào)記者 張佳欣
當(dāng)汽車、飛機(jī)、船艦或計(jì)算機(jī)采用一種既能作為電池又能作為承重結(jié)構(gòu)的材料制造時(shí)，其重量和能源消耗將大大降低。據(jù)10日發(fā)表在最新一期《先進(jìn)材料》雜志上的論文，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在“無質(zhì)量儲能”研究方面取得進(jìn)展，開發(fā)出一種多功能碳纖維結(jié)構(gòu)電池。這種電池可以將筆記本電腦的重量減半，使手機(jī)像信用卡一樣薄，或者將電動汽車單次充電的續(xù)航里程提高70%。
查爾姆斯理工大學(xué)研究員里卡·喬杜里表示，他們研發(fā)出的這種結(jié)構(gòu)電池由碳纖維復(fù)合材料制成，其剛度與鋁相當(dāng)，且能量密度足以商業(yè)化應(yīng)用。結(jié)構(gòu)電池是一種既能儲存能量又能承載負(fù)荷的材料。讓電池材料成為產(chǎn)品實(shí)際構(gòu)造的一部分，意味著在電動汽車、無人機(jī)、手持工具、筆記本電腦和手機(jī)等產(chǎn)品上可以實(shí)現(xiàn)更小的重量。
2018年，該團(tuán)隊(duì)首次證明，剛性和硬度都很高的碳纖維可通過化學(xué)方式儲存電能，作為鋰離子電池電極。這項(xiàng)研究引起廣泛關(guān)注，也被《物理世界》雜志評為當(dāng)年十大突破性成果之一。
此后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了其概念，提高了電池剛度和能量密度，在2021年將電池的能量密度提高到每千克24瓦時(shí)（Wh/kg），相當(dāng)于同類鋰離子電池容量的20%左右。而此次，他們將能量密度提升至30Wh/kg。盡管這仍然低于當(dāng)前常用電池，但效果卻大不相同。當(dāng)電池成為結(jié)構(gòu)的一部分，并且可以由輕質(zhì)材料制成，整車重量就能大大降低。這樣一來，電動汽車所需的能量就會大大減少。
研究人員對電動汽車進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示，如果配備新的結(jié)構(gòu)電池，續(xù)航里程將比現(xiàn)在增加多達(dá)70%。結(jié)構(gòu)電池單元的剛度也顯著提高，以吉帕（GPa）為單位的彈性模量從25增加到了70。這意味著該材料可以像鋁一樣承載負(fù)荷，但重量更輕。
研究人員表示，從多功能性角度來看，新電池的性能優(yōu)于上一代電池兩倍，是世界上迄今為止最好的電池。然而，在電池單元從小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室制造走向大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用于科技產(chǎn)品或車輛之前，還需進(jìn)行大量工程工作。
