碳纤维结构电池取得进展,可能彻底改变电动汽车未来设计方向

2021-04-04 15:47:11 壹恣穿云箭

在接下来的几年中,用于电动汽车电池将变得足够便宜,以至于电动汽车与同尺寸的燃油汽车相比,成本更加低廉,但是重量却要重得多,而且根据发展趋势,市场坚持要求越来越长的续航里程时,电池包将占汽车总重量的20%至25%。

汽车设计专家们,把目光放在了如何解决电动汽车的轻量化问题上——不是减少电池组降低续航里程来减重,而是采用新的解决方案:将汽车的某些结构部件本身也变成电池。

这样做,电池重量将有效地消失,不但不影响续航里程,反而会增加。因为不管动力总成如何,每辆车仍需要将其固定在一起的结构部件。

这种方法从2013年开始,就已经在世界各地的团体中讨论并实验了一段时间,当沃尔沃首席技术官亨里克·格林(Henrik Green)在3月初的一次采访中,这一想法得到了很好的解释:

我们所学到的……只是举一个例子:“您如何将电池单元最有效地集成到汽车中?” 好吧,如果您以传统方式进行操作,先将电池单元格放入固定的框中,将其称为电池模块。您将许多模块放到一个大盒子里,这就成了一个电池包。您再将多个包放入车辆中,然后有了标准化的解决方案。
但从本质上讲,这在重量和空间等方面是一个效率很低的解决方案。因此,您可以进行更深入的研究,如何将细胞直接整合到体内并摆脱这些模块和包以及介于两者之间的东西?这是我们子孙后代要面对的挑战,它将改变您从根本上制造汽车的方式。

他还例举了另一个明显的例子,大家日常使用的手机,其实在制造工艺上,稍有实力的厂商都可以将手机做到比现在任何一部手机更加的薄,但薄并不是最终追求,而既能薄得好看,又不影响续航,才是最终的目标。苹果公司的iPhone为了追求手机的外观,而缩减电池,甚至让摄像头突出,就是走错了方向,但相信他们也一直在改进。

使用车身不可或缺的结构部件来存储、转化和供给能量,是目前能想到的最佳方式,不仅仅是沃尔沃,其他电动汽车厂商也致力于这方面的研究。可以为电动汽车带来更加安全、轻量和续航的综合好处——人们不必坐在几千块能量密度极高的易燃电池上出门,走到半途寻找充电站。

电动汽车的先驱,特斯拉公司创始人埃隆·马斯克在去年9月的特斯拉电池日期间做出了许多承诺。他说,很快,该公司将拥有一辆使用纯硅阳极电池运行的汽车,以提高其性能,并减少阴极中的钴以降低成本及售价。

马斯克声称,其电池组将集成到底盘中,从而除了提供能量外还提供机械支撑。该设计将使汽车的重量减轻10%,并将行驶里程进一步提高。他称特斯拉的结构电池为工程学的“革命”,但对某些电池研究人员来说,马斯克的未来与他们早就开始的研究很像,称不上“革命”。

伦敦帝国理工学院的材料科学家,皇家学院新兴技术的工程学教授埃米尔·格林哈尔格(Emile Greenhalgh)说:“他本质上是在做我们十年前的工作。这种结构化的能量存储方法消除了电池与其供电的物体之间的边界。但我们正在做的事情超出了马斯克一直在谈论的范围,没有嵌入式电池,材料本身就是能量存储设备。”

如今,电池在大多数电子产品的尺寸和重量中占很大一部分。智能手机主要是锂离子电池,周围装有一些处理器。无人机的尺寸受其可携带电池的限制。电动汽车的重量约占其电池组的三分之一。

特斯拉解决此问题的方法是,在汽车本身的结构中内置传统电池,而不是把电池组放在汽车底盘上,而是使电池成为汽车底盘。

现在,有一个更优雅的方法可以解决这个问题,瑞典查尔默斯理工大学的一个由雷夫 阿斯(Leif Asp)教授领导的小组,在这方面取得了一些突破,使每个组件都由结构上可行的材料制成电池以及存储电力。

结构电池结合了碳纤维阳极和磷酸锂铁涂覆的铝箔阴极,它们通过玻璃纤维隔板被分隔在结构电池电解质基体材料中。阳极具有三重作用,可容纳锂离子,传导电子并同时增强所有物质。电解质和由支撑结构载荷充当阴极,并在传导锂离子中发挥作用。

研究人员测试了几种不同类型的玻璃纤维(均产生了标称电压为2·8 V的电池),并通过更薄的平纹组织在电池性能方面取得了更好的结果。

使用该构造的电池的电容量比为8.55 Ah / kg,能量密度为23.6 Wh / kg(在0·05摄氏度下),功率比为9.56 W / kg(在3摄氏度下),厚度为0.27 mm——作为对比,特斯拉正在使用的4680个电池的能量密度为380 Wh / kg。

同时,拥有电量存储的结构载荷的刚度也不逊色于现在正在使用的金属结构载荷,使用普通玻璃纤维制造也可以实现25.5 GPa的最大刚度,如果使用碳纤维增强塑料刚度还将提升10倍左右,具体取决于它的制造工艺。

阿斯教授的小组现在正在实际测试将阴极的铝箔换成碳纤维是否会进一步提高刚度(理论上是一定提高)和电气性能。他希望达到75 Wh / kg和75 GPa,这将使电池比铝稍硬(GPa:68),但显然要轻得多。

用结构电池制造电动汽车甚至飞机仍然是一个长期的项目,即使在最好的情况下,结构电池也可能永远无法达到专用电池的性能。但是,由于它们也将取代较重的金属结构,因此最终的车辆总体上应该更轻巧,如果组合使用的话,同等重量下,续航里程将有明显的提升。

阿斯教授认为,将这种技术优先用于其他产品,可能会更快看到效益。

“下一代结构性电池具有巨大的潜力。如果您看一下消费类市场,那么几年之内制造出重量仅为如今一半并且体积更小的智能手机,笔记本电脑或电动自行车是完全有可能的。”

不过,就目前而言,他们的结构电池距离商用,哪怕是他提到的手机或笔记本电脑等,仍然有很长的路要走,处于实验阶段的成果,并未公布不同形状的材料在不同使用场景下的具体成本,但这至少是一个方向,除非某天电池技术本身有了巨大的突破,否则这仍然是一项有前景的研究。

沃尔沃公司对此表示出了极大的兴趣,同时,研究小组说,他们也尝试向特斯拉、现代汽车、苹果以及三星发出了合作研究的意向申请,但尚未得到明确答复。

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