導讀
近日，瑞典查爾姆斯理工大學的一項研究表明：碳纖維可作為電池電極使用，直接存儲能量。這項研究為結構電池帶來了新的機遇。這種多功能材料將顯著降低未來飛機與車輛的重量。
背景
碳纖維（carbon fiber），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維，沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。
碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱等特性，已廣泛應用於航天、航空、 汽車、 電子、 機械、化工、輕紡等民用領域，以及飛機制造等軍工領域。
具有碳纖維車身殼體的McLaren F1超級跑車（圖片來源：維基百科）
用碳纖維材料裝飾的空中客車A350飛機（圖片來源：維基百科）
創新
近日，瑞典查爾姆斯理工大學領導的一項研究表明：碳纖維可作為電池電極使用，直接存儲能量。這項研究為結構電池帶來了新的機遇。在結構電池中，碳纖維可以變成能量系統的一部分。這種多功能材料將顯著降低未來飛機與車輛的重量。
對於電氣化來說，減重是一項關鍵挑戰。未來的客機需要比目前輕得多，從而變為電動的。同樣，對於車輛來說，減重也非常重要，有利於延長一次充電的行駛距離。
如下圖所示：研究人員的願景是車輛車身或者飛機機身的大部分由結構化的鋰離子電池組成。多功能的碳纖維材料可作為電池電極以及承重材料。
（圖片來源：Yen Strandqvist）
研究人員的願景是車輛車身或者飛機機身的大部分由結構化的鋰離子電池組成。多功能的碳纖維材料可作為電池電極以及承重材料。
技術
查爾姆斯理工大學材料與可計算機力學專業教授 Leif Asp 的研究表明，碳纖維不僅是一種增強材料，還能勝任更多的任務，例如用於存儲能量。
下圖所示：Leif Asp 的身邊是碳纖維線。結構化的鋰離子電池中的電極是由聚合物中的碳纖維線網絡組成。每根線都是由24000根碳纖維組成。
（圖片來源：Johan Bodell）
他說：“這樣一來，汽車的車身不再簡單地作為承重組件，而是作為電池。同樣，碳纖維也可以帶來其他應用，例如採集動能，用於傳感器，或者用於能量和數據的導體。如果所有這些功能成為汽車或者飛機身體的一部分，重量將降低達50%。”
Asp 領導了一個跨學科研究小組開展研究。近日，他們發表了一篇論文，關於碳纖維微結構是如何影響其電化學性能的，也就是說，作為鋰離子電池電極的能力。目前為止，這還是一個未經探索的科研領域。
研究人員們研究了市場上可買到的不同種碳纖維的微結構。他們發現，含有尺寸小、方向性差的晶體的碳纖維，具有良好的電化學性能，但是剛度相對較低。相反，含有大尺寸、方向性好的晶體的碳纖維，剛度較高，但是電化學性能太差，以至於無法應用於結構電池。
Asp 表示：“我們現在知道了應該如何製造多功能碳纖維，以獲得較高的能量存儲容量，同時保證足夠的剛度。剛度稍微減弱，對於汽車之類的許多應用來說，都不成問題。目前，市場上占主導地位的是昂貴的碳纖維複合材料，這種材料的剛度適合飛機。因此，碳纖維製造商有望拓展碳纖維的用途。”
在研究中，電化學性能良好的碳纖維，剛度稍高於鋼鐵。然而，那些電化學性能較差的碳纖維，剛度是鋼鐵的兩倍。
研究人員們正在與汽車以及航空工業的合作伙伴展開合作。Leif Asp 解釋道，對於航空工業來說，碳纖維複合材料的厚度有必要增加，從而補償結構電池的剛度，也可以相應地增加其能量存儲容量。
價值
Leif Asp 表示：“關鍵點在於，基於重量、強度、剛度和電化學性能，在系統級別優化汽車。汽車行業更習慣於考慮優化單個組件，而這項研究為汽車行業帶來一種新的思考方式。結構電池可能並沒有傳統電池那樣高效，但卻具有結構化的承重能力，因此將在系統級別帶來很多好處。”
他繼續說：“此外，結構電池的能量密度更低，將使得它們比標準電池更安全，特別是不含有任何揮發性物質。”
關鍵字
電池、碳纖維、汽車
【1】https://www.chalmers.se/en/departments/ims/news/Pages/carbon-fibre-can-store-energy.aspx
【2】http://dx.doi.org/10.1088/2399-7532/aab707
閱讀更多 環球創新智慧 的文章
