「結構電池」新突破!未來電池或像「脂肪」一樣遍布全車?

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 03 日 0:00 | 分類 尖端科技 , 汽車科技 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


過去一段時間,關於結構電池(Structural battery)的討論及研究正熱。

今年 9 月底的特斯拉「電池日」上,伊隆‧馬斯克(Elon Musk)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,馬斯克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,馬斯克口中所描繪的未來,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儲存設備。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 Emile Greenhalgh 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消除電池與其他物體間的邊界。

當下,電池組佔據了絕大多數電子產品中大部分的空間及重量。譬如電動車,車重的三分之一都來自電池組。由此,特斯拉便提出將電池變成車架,而非將電池組安裝在車架上(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:直接捨棄電池組,使用車體去做能量儲存,新的結構電池可以完全「隱形」。

在 Greenhalgh 看來,電能應該儲存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——疊加式或滾筒式。

而在結構電池裡,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。

碳纖維是一種輕質的新材料,一直以來都是飛機機身及高性能汽車的最愛。除了上述特性,在儲存鋰離子方面,碳纖維也比較在行,因此它也成了其它碳基材料,譬如石墨(一般用在陽極上)的絕佳替代品。

不過在結構電池裡,碳纖維需要混合類似磷酸鐵的反應材料來充當陰極,然後用一張薄薄的編織玻璃片將兩個電極隔開,不同的層級懸浮在電解液中。

通過以上技術,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。

除了 Greenhalgh 之外,瑞典查爾姆斯理工大學材料科學家 Leif Asp 在過去 10 年裡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「儲存」(Storage)的項目。其目標就是打造出結構電池並將其整合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里程。

「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裡,每一個電子在對抗氣候變化的過程中都異常重要。

在為期 3 年的項目實驗中,Storage 團隊成功將商用鋰電池整合到了整流罩中。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,這是第一個整合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裡,依然不如讓汽車的車身充當電池來得高效。在 Storage 項目裡,Asp 和 Greenhalgh 還開發了一種結構化的超級電容(用作後備箱蓋)。

超級電容類似於電池,但以靜電荷的形式儲存能量,而不是化學反應。這個化身超級電容的後備箱蓋是由兩層注入氧化鐵和氧化鎂的碳纖維組成,中間用絕緣層隔開。整個堆棧被層壓板包裹,並被塑造成後備箱的形狀。

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面非常出色。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,儘管有了一定的苗頭,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。

航空煤油雖會污染環境,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 人座客機上,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。

無論是空中巴士(Airbus S.A.S.)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。「航空航太產業非常保守,用真正的高功率電池包裹住飛機會讓它們坐立不安。」Greenhalgh 解釋道,新興的電池化學配方,包括固體電解質,可以降低風險,但滿足客機的巨大能量需求仍然困難重重,這個問題可以用結構電池來解決。

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 10 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面已經有被替代系統二到三成的功力了,」Asp 說道。「這是一個巨大的進步」。

不過,在結構電池走出實驗室,進入現實世界的過程中,解決了技術挑戰也只能算勝利了一半。政府對汽車和航空產業監管非常嚴格,製造商往往利潤微薄。

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。

當結構電池充放電時,鋰離子在碳纖維陰極中進進出出,從而改變其形狀和機械性能。對於製造商和監管機構來說,能夠準確預測這些結構電池在使用時的反應,以及如何影響它們所驅動的車輛的性能非常重要。

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。

Asp 指出,由於結構電池對功率的要求很高,而且在監管方面也面臨著挑戰​​,因此在汽車中普及結構電池可能還需要十多年時間。他預測,在這之前,結構電池會首先在消費電子產品中搶灘登陸。

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系統組首席科學家兼主管肖杰表示贊同,「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,而結構電池所佔的空間不會超過設備本身。

在西北太平洋國家實驗室,肖杰和她的同事們研究了微型電池設計的一些基本問題,比如當結構電池彎曲或扭曲時,如何保持電極之間的對齊。

「從設計的角度出發,你的正極和負極相對立是非常重要的,」肖杰解釋道。「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,這就限制了不規則形狀結構電池的設計。」

肖杰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籤。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。在密西根大學安阿伯校園的實驗室裡,化學家 Nicholas Kotov 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佈在整個身體中,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,它儲存了大量能量。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,就像脂肪和肌肉之於人類一樣。

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,與它們的運動部件整合在一起。

電池像一個銀色外殼一樣安置在機器人背面,它既能給機器人機械內臟供電,又能保護機器人的機械內臟。這是從自然界中汲取靈感,以改進那些非自然的東西。

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、碳布陰極和由聚合物納米纖維製成的半剛性電解質組成,這種半剛性電解質是由奈米工程模擬軟骨製成的,而電池中的能量載體是空氣中的氧氣與鋅相互作用時產生的氫氧離子。

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、限制因素,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座式電話或攜帶型 CD Playe 一樣過時。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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