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「结构电池」新突破丨未来电池或像「脂肪」一样遍布全车?

本文作者:大壮旅 2020-12-29 19:28
导语:未来,一切都可能是电池,独立的储能设备将像固定电话或便携式CD机一样过时。

「结构电池」新突破丨未来电池或像「脂肪」一样遍布全车?

过去一段时间,关于结构电池的讨论及研究正风生水起。

今年九月底的特斯拉“电池日”上,Elon Musk 就曾许下承诺:除了无钴阳极和纯镍阴极等高能技术外,他们还会将电池变成车架,在提升车辆强度的同时帮助电动车减重 10%,而减重则意味着续航提升。

谈到这一点时,Musk 直言特斯拉的结构电池将是工程上的革命。

不过,对于不少电池领域研究者来说,Musk口中所描绘的未来,他们早已见识过。“它并非嵌入式电池,因为材料自身就是能源存储设备。实话说,他们说的事我们十年前就已经做过了。”帝国大学材料科学家 Emile Greenhalgh 说道。

在结构电池领域,Greenhalgh 是世界级顶尖专家,他们的目标是尽可能地抹除电池与其他物体间的边界。

当下,电池组占据了绝大多数电子产品中大部分的空间及重量。譬如电动车,车重的三分之一都来自电池组。由此,特斯拉便提出将电池变成车架,而非将电池组安装在车架上(比如让电池组充当底盘,砍掉原本支持电池组的底盘结构)。

Greenhalgh和他的团队则提出了更“激进”的方案: 直接舍弃电池组,使用车体去做能量存储,新的结构电池可以完全“隐形”。

在 Greenhalgh 看来,电能应该存储于制作车体的复合材料中,从这个角度出发,电池就不算作额外重量了,因为整个车都将是电池。

“这样的方案让各类材料同时承担了两项工作。”Greenhalgh 说道,“这种新的电动车设计方案能大大提升车辆性能与安全性。”

结构电池来临

手机或电动车的锂电池主要由四个部分组成:阴极、阳极、电解液和隔板。当电池放电时,锂离子会从阳极(负极)流向阴极(正极),中间会通过可渗透的隔板,以防止短路。

在传统电池中,这些元器件的状态已经成型:要么叠加式要么滚筒式。

而在结构电池里,我们可以对这些元器件进行重新配置,以便嵌入不规则的模具中,且能承受巨大的物理压力。

结构电池的形态不像立方体或圆柱体,它们看起来更像机翼、车体或者手机壳。

世界上首个结构电池诞生在 2005 年的美国军队中,当时电池的电极用到了碳纤维材料。

碳纤维是一种轻质的新材料,一直以来都是飞机机身及高性能汽车的最爱。除了上述特性,在存储锂离子方面,碳纤维也比较在行,因此它也成了其它碳基材料,譬如石墨(一般用在阳极上)的绝佳替代品。

不过在结构电池里,碳纤维需要混合类似磷酸铁的反应材料来充当阴极,然后用一张薄薄的编织玻璃片将两个电极隔开,不同的层级悬浮在电解液中。

通过以上工艺,结构电池可以做到几百万分之一米厚,且可以切割成任何需要的形状。

Greenhalgh之外,瑞典查尔姆斯理工大学材料科学家 Leif Asp 在过去十年里也一直站在结构电池研究的最前沿。

2010 年,Asp、Greenhalgh 和一个欧洲科学家团队合作开展了名为“存储”(Storage)的项目。其目标就是打造出结构电池并将其集成到沃尔沃的混合动力原型车中。

Asp 表示:“我们当时并不认为它会对社会产生多大影响,但随着项目不断深入,我开始觉得这可能是个非常有用的想法。”

在他看来,传统电池应该被定性为“结构寄生虫”。他指出,结构电池的主要好处在于,可以增加电动车续航里程。

我们需要关注能源效率,”Asp 说道,在一个大部分电力仍由化工燃料生产的世界里,每一个电子在对抗气候变化的过程中都异常重要。

在为期三年的项目实验中,Storage 团队成功将商用锂电池集成到了整流罩中。不过,它不是汽车的主电池,而是一个较小的辅助电池组,当车辆在等红灯时,它能为空调、音响和灯光提供电力。

值得注意的是,这是第一个集成在汽车车身结构电池的概念验证,本质上是特斯拉试图实现相关效果的mini版。

不过,将一堆传统锂电池夹在车身里,依然不如让汽车的车身充当电池来得高效。在 Storage 项目里,Asp 和 Greenhalgh 还开发了一种结构化的超级电容(用作后备箱盖)。

超级电容类似于电池,但以静电荷的形式储存能量,而不是化学反应。这个化身超级电容的后备箱盖是由两层注入氧化铁和氧化镁的碳纤维组成,中间用绝缘层隔开。整个堆栈被层压板包裹,并被塑造成后备箱的形状。

超级电容的能量储存量远不如电池,但它们在快速输送少量电荷方面非常出色。Greenhalgh 还表示,它们也更容易使用,是搞定结构电池的必要垫脚石。

沃尔沃做这辆车是为了进行概念验证,证明结构化储能在电动车中是可行的,而 Storage 项目的成功也引发了对结构电池的大量炒作。

不过,尽管有了一定的苗头,但该团队还是花了几年时间才从欧盟委员会拿到了更多资金。“这是一项非常具有挑战性的技术,不是扔几百万英镑就能解决的。”Greenhalgh 谈到融资困难时说道。

今年夏天,该团队又开启了一项名为“Sorcerer”(意为魔术师)的研究项目,其目标是开发商用飞机可用的结构性锂电池。

航空市场可以说是结构储能的杀手应用,商用飞机会产生大量排放,但客机的电动化却是一大挑战,因为它们能耗太高。

航空煤油虽会污染环境,但它的能量密度却是最先进商用锂电池的 30 倍左右。在一架普通的 150 座客机上,这意味着每人的飞行需要大约 1 吨电池来支撑。

换句话说:如果你试图用现有的电池为这架飞机供电,这架飞机将永远无法起飞上天。

无论是空客这样的航天巨头,还是Zunum 这样的初创公司,他们多年来都在致力于客机的电气化。不过即使他们成功了,在飞机上装满传统电池也有重大安全风险。

大型电池组一旦短路,可能会引起灾难性的火灾或爆炸。“航空航天产业非常保守,用真正的高功率电池包裹住飞机会让它们坐立不安。”Greenhalgh 解释道,新兴的电池化学配方,包括固体电解质,可以降低风险,但满足客机的巨大能量需求仍然困难重重,这个问题可以用结构电池来解决。

作为 Sorcerer 项目的一部分,Asp 和他的同事们打造了由薄层碳纤维制成的结构电池,这些电池可以用来制造飞机的机舱或机翼部分。

与十年前他们在 Storage 项目中生产的电池相比,Sorcerer 团队开发的实验性电池机械性能和能量密度都有显著提高“眼下,我们打造的材料在储能和机械方面已经有被替代系统二到三成的功力了,”Asp 说道。“这是一个巨大的进步”。

不过,在结构电池走出实验室,进入现实世界的过程中,解决了技术挑战也只能算胜利了一半。政府对汽车和航空产业监管非常严格,制造商往往利润微薄。

这意味着将新材料引入汽车和飞机需要向监管机构证明其安全性,并向制造商证明其优越的性能。

当结构电池充放电时,锂离子在碳纤维阴极中进进出出,从而改变其形状和机械性能。对于制造商和监管机构来说,能够准确预测这些结构电池在使用时的反应,以及如何影响它们所驱动的车辆的性能非常重要。

为此,Greenhalgh 和 Asp 正在搭建数学模型。这些模型将准确地显示结构电池打造的车辆在使用过程中的结构变化。

Asp 指出,由于结构电池对功率的要求很高,而且在监管方面也面临着挑战,因此在汽车中普及结构电池可能还需要十多年时间。他预测,在这之前,结构电池会首先在消费电子产品中抢滩登陆。

微电子领域先爆发?

对于以上观点,西北太平洋国家实验室电池与材料系统组首席科学家兼主管肖杰表示赞同,“结构电池在微电子领域的应用是极具前景及常被忽视的。”

结构电池对微电子设备非常有帮助,因为后者体积有限。”肖杰说道,虽然可以将传统电池生产到黄豆大小,但这些电池在微电子领域仍然体积过大,而结构电池所占的空间不会超过设备本身。

在西北太平洋国家实验室,肖杰和她的同事们研究了微型电池设计的一些基本问题,比如当结构电池弯曲或扭曲时,如何保持电极之间的对齐。

“从设计的角度出发,你的正极和负极相对立是非常重要的,”肖杰解释道。“所以即使我们可以利用空隙,如果这些电极不对齐,它们也不会参与化学反应,这就限制了不规则形状结构电池的设计。”

肖杰和她的团队已经为微型结构电池进行了一些小众的科学应用,比如鲑鱼和蝙蝠的注射式追踪标签。但她说,这些技术要想在假肢、电子皮肤等新兴技术中找到主流应用还需要一段时间。

与此同时,结构电池可能还是高能耗机器人的福音。在密歇根大学安阿伯校园的实验室里,化学家 Nicholas Kotov 就与研究生一起开发了不少小型仿生机器人

“生物体将能量储存分布在整个身体中,以便它们发挥双重或三重功能,”Kotov 说道。“脂肪是一个很好的例子,它存储了大量能量。但问题是:我们如何复制它?”

该团队的目标是创造出能模仿动物的仿生机器,因此他们需要一个能与机器人骨骼整合的动力源,就像脂肪和肌肉对人类一样。

他们最新的一些作品包括机器蝎子、蜘蛛、蚂蚁和在地板上溜达的毛毛虫,所有这些机器人都是由一个独特的结构电池提供动力,与它们的运动部件集成在一起。

电池像一个银色外壳一样安置在机器人背面,它既能给机器人机械内脏供电,又能保护机器人的机械内脏。这是从自然界中汲取灵感,以改进那些非自然的东西。

与 Asp 和 Greenhalgh 正在开发的碳纤维和锂离子隔板不同,Kotov 和他的学生为他们的仿生机器人创造了一种“锌-空气”结构电池。

这种电池化学成分让它比传统锂电池储能更多。它由锌阳极、碳布阴极和由聚合物纳米纤维制成的半刚性电解质组成,这种半刚性电解质是由纳米工程模拟软骨制成的,而电池中的能量载体是空气中的氧气与锌相互作用时产生的氢氧离子。

车辆用的结构电池具有很高的刚性,而 Kotov 团队开发的电池则是要足够柔韧,以配合机器人的动作。

它们的能量密度也非常大,正如 Kotov 和他的团队今年早些时候发表的一篇论文所述,新的结构电池能量是相同体积的传统锂电池的 72 倍。目前,他们的电池被用来为机器人玩具和小型无人机供电,但主要目的还是概念验证。

不过 Kotov 表示,预计在不久的将来,结构电池将被用于中型机器人以及大型无人机。

过去,电池一直是个附加物、限制因素,如今,它正在我们眼前逐步消失,融进我们电气化世界的架构中。

未来,一切都可能是电池,独立的储能设备将像固定电话或便携式CD机一样过时。雷锋网(公众号:雷锋网)雷锋网雷锋网

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