「結構電池」新突破丨未來電池或像「脂肪」一樣遍布全車？

在過去，關于結構電池的討論和研究正在蓬勃發展。在今年9月底的特斯拉“電池日”上，埃隆·馬斯克(Elon Musk)做出了承諾:除了無鈷陽極和純鎳陰極等高能量技術，他們還將把電池變成一個框架，在提高車輛強度的同時幫助電動汽車減重10%，減重意味著提高電池壽命。馬斯克在談到這一點時直言，特斯拉的結構電池將是一場工程革命。然而，對于電池領域的許多研究人員來說，他們已經看到了馬斯克描述的未來。“它不是嵌入式電池，因為這種材料本身就是一種儲能裝置。說實話，他們十年前說的，我們已經做到了。”帝國大學的材料科學家Emile Greenhalgh說。在結構電池領域，Greenhalgh是世界級的頂級專家，他們的目標是盡可能地抹去電池與其他物體之間的邊界。目前，電池組占據了大多數電子產品的大部分空間和重量。例如，電動汽車三分之一的重量來自電池組。于是，特斯拉提出把電池變成一個框架，而不是把電池組安裝在框架上(比如讓電池組充當底盤，把原本支撐電池組的底盤結構砍掉)。格林哈爾格和他的團隊提出了一個更“激進”的方案:直接拋棄電池組，利用車身進行儲能。新結構電池可以完全“隱形”。在格林哈爾格看來，電能應該儲存在用于制造車身的復合材料中。從這個角度來說，電池不算額外重量，因為整車都會是電池。"這種方案允許各種材料同時承擔兩項任務."格林哈爾格說，“這種新的電動汽車設計可以大大提高車輛性能和安全性。”手機或電動車的鋰電池主要由四部分組成:正極、負極、電解液、隔膜。電池放電時，鋰離子會從陽極(負極)流向陰極(正極)，并通過中間的可滲透隔板，防止短路。在傳統電池中，這些部件的狀態已經形成:要么疊加，要么鼓形。在結構電池中，我們可以重新配置這些組件，以便嵌入不規則的模具中，承受巨大的物理壓力。結構電池看起來不像立方體或圓柱體，更像翅膀、車身或手機殼。世界上第一個結構電池于2005年在美國陸軍誕生，當時電池的電極由碳纖維制成。碳纖維是一種新型輕質材料，一直是飛機機身和高性能汽車的最愛。除了上述特性，碳纖維還擅長存儲鋰離子，因此成為了其他碳基材料的絕佳替代品，比如石墨(常用于陽極)。然而，在結構電池中，碳纖維需要與類似于磷酸鐵的反應材料混合作為陰極，然后兩個電極由薄的編織玻璃片隔開，不同的層懸浮在電解質中。通過以上工藝，結構電池可以做到百萬分之一米厚，可以切割成任何需要的形狀。除了格林哈爾格，瑞典查爾姆斯理工大學的材料科學家葉小開Asp在過去十年里一直處于結構電池研究的前沿。2010年，Asp、Greenhalgh和一組歐洲科學家合作了一個名為“存儲”的項目。目標是制造一種結構電池，并將其集成到沃爾沃的混合動力原型中。Asp說:“我們當時并不認為這會對社會產生太大影響，但隨著項目的深入，我開始認為這可能是一個非常有用的想法。”在他看來，傳統電池應該被定性為“結構性寄生蟲”。他指出，結構電池的主要優勢是可以增加電動汽車的續航里程。“我們需要關注能源效率，”Asp說。在一個大部分電力仍然由化學燃料產生的世界里，每個電子在對抗氣候變化的過程中都極其重要。在為期三年的項目實驗中，存儲團隊成功地將商用鋰電池集成到整流罩中。然而，它不是汽車的主電池，而是一個較小的輔助電池組，可以在汽車等待時為空調、音響和照明提供電源……因為紅燈。值得注意的是，這是電池集成在汽車車身結構中的首次概念證明，本質上是特斯拉試圖實現相關效果的迷你版。但把一堆傳統鋰電池夾在車身里，效率還是不如讓車身充當電池。在存儲項目中，Asp和Greenhalgh還開發了一種結構化超級電容器(用作行李箱蓋)。超級電容器類似于電池，但以靜電荷的形式儲存能量，而不是化學反應。這款化身超級電容器的后備箱蓋由兩層注入氧化鐵和氧化鎂的碳纖維組成，中間隔著一層絕緣層。整個堆棧被包裹在層壓板和塑造成一個箱子的形狀。超級電容器的儲能容量遠不及電池，但它們在快速傳輸少量電荷方面表現出色。格林哈爾格還表示，它們也更容易使用，是擺脫結構電池的必要墊腳石。沃爾沃制造這款車是為了概念驗證，證明了結構化儲能在電動汽車上是可行的，而儲能項目的成功也引發了很多對結構化電池的猜測。然而，盡管有一些跡象，該團隊花了幾年時間從歐洲委員會獲得更多資金。“這是一項非常具有挑戰性的技術，不是砸幾百萬英鎊就能解決的。”格林哈爾格在談到融資困難時說。今年夏天，該團隊開始了一個名為“巫師”(意為魔術師)的研究項目，目標是開發用于飛機的結構鋰電池。航空市場可以說是結構儲能的殺手級應用。商用飛機會產生大量的排放，但客機的電氣化是一個很大的挑戰，因為它們消耗了太多的能源。航空煤油雖然會污染環境，但其能量密度是最先進的商用鋰電池的30倍左右。在一架普通的150座客機上，這意味著每人需要大約1噸的電池來支持他的飛行。換句話說:如果你試圖用現有的電池為這架飛機提供動力，它將永遠無法起飛。無論是空客這樣的航空航天巨頭，還是Zunum這樣的創業公司，他們都已經在客機電氣化方面努力了很多年。但即使他們成功了，用傳統電池填充飛機也有很大的安全風險。一旦大型電池組短路，可能會導致災難性的火災或爆炸。“航空航天業非常保守，用真正的大功率電池包裹飛機會讓飛機坐立不安。”格林哈爾格解釋說，包括固體電解質在內的新興電池化學配方可以降低風險，但仍難以滿足客機巨大的能源需求。這個問題可以通過結構電池來解決。作為巫師項目的一部分，Asp和他的同事們已經建造了由薄碳纖維制成的結構電池，可用于制造飛機的機艙或機翼部件。與十年前他們在存儲項目中生產的電池相比，巫師團隊開發的實驗電池的機械性能和能量密度有了顯著的提高。“目前，我們建造的材料在能量儲存和機械方面已經有20%到30%能夠被系統取代，”Asp說。這是一個巨大的進步。然而，在結構電池走出實驗室進入現實世界的過程中，解決技術難題只能算是成功了一半。政府對汽車、航空行業的監管非常嚴格，廠家往往利潤微薄。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，向制造商證明其優越性能。結構電池充放電時，鋰離子進出碳纖維負極，從而改變其形狀和機械性能。對于制造商和監管機構來說，準確預測這些結構電池在使用中的反應以及如何影響他們駕駛的車輛的性能是非常重要的。為此，Greenhalgh和Asp正在建立數學模型。這些模型將準確地顯示由結構電池制成的車輛在使用過程中的結構變化。Asp指出，結構化電池在汽車上普及可能需要十幾年的時間，因為其功率要求高，在監管方面也面臨挑戰。他預測，在此之前，結構電池將首先……和消費電子產品中。微電子領域先爆發？對于上述觀點，首席科學家、西北太平洋國家實驗室電池與材料系統組主任肖杰表示贊同，“結構化電池在微電子領域的應用非常有前景，但往往被忽視。”"結構電池對微電子設備非常有幫助，因為后者的尺寸有限."肖杰說，雖然傳統電池可以生產到黃豆大小，但這些電池在微電子領域還是太大了，結構電池占用的空間不會超過設備本身。在西北太平洋國家實驗室，肖捷和她的同事們研究了微型電池設計中的一些基本問題，例如當結構電池彎曲或扭曲時，如何保持電極對齊。“從設計的角度來看，你的陽極和陰極是相反的，這一點非常重要，”肖杰解釋道。“所以即使我們可以使用間隙，如果這些電極沒有對齊，它們也不會參與化學反應，這就限制了形狀不規則的電池的設計。”肖杰和她的團隊已經為微結構電池做出了一些小眾的科學應用，例如鮭魚和蝙蝠的注射跟蹤標簽。但她表示，這些技術在假肢和電子皮膚等新興技術中找到主流應用還需要一段時間。同時，結構電池可能仍然是高耗能機器人的福音。在密歇根大學安娜堡分校的實驗室里，化學家尼古拉斯·科托夫和研究生一起開發了許多小型仿生機器人。“生物體將能量儲存分布到全身，這樣它們就可以執行雙重或三重功能，”科托夫說。“脂肪就是一個很好的例子，它儲存了大量的能量。但問題是:我們如何復制它？”該團隊的目標是創造可以模仿動物的仿生機器，因此他們需要一種可以與機器人骨骼整合的動力源，就像脂肪和肌肉對于人類一樣。他們的一些最新作品包括機器人蝎子、蜘蛛、螞蟻和在地板上漫步的毛毛蟲。所有這些機器人都由一種獨特的結構電池供電，并與它們的運動部件集成在一起。電池像銀殼一樣放在機器人的背部，既能給機器人的機械臟器供電，又能保護機器人的機械臟器。這是為了從自然中汲取靈感來改善那些不自然的東西。與Asp和Greenhalgh正在開發的碳纖維和鋰離子分離器不同，科托夫和他的學生為他們的仿生機器人創造了一種“鋅空氣”電池。這種電池的化學成分允許它比傳統鋰電池儲存更多的能量。它由鋅陽極、碳纖維布陰極和聚合物納米纖維制成的半剛性電解質組成。這種半剛性電解液由納米工程模擬軟骨制成，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根離子。用于車輛的結構電池具有很高的剛性，而科托夫團隊開發的電池應該足夠靈活，以匹配機器人的運動。它們的能量密度也非常高。正如科托夫和他的團隊在今年早些時候發表的一篇論文中所述，新結構電池的能量是同體積傳統鋰電池的72倍。目前，他們的電池用于為機器人玩具和小型無人機供電，但主要目的是證明概念。然而，科托夫表示，預計在不久的將來，結構電池將用于中型機器人和大型無人機。在過去，電池一直是一個附加和限制因素。現在，它正在逐漸從我們眼前消失，融入我們電氣化世界的結構中。在未來，一切都可能是電池，獨立的儲能設備將像固定電話或便攜式CD播放器一樣過時。在過去，關于結構電池的討論和研究正在蓬勃發展。在今年9月底的特斯拉“電池日”上，埃隆·馬斯克(Elon Musk)做出了承諾:除了無鈷陽極和純鎳陰極等高能量技術，他們還將把電池變成一個框架，在提高車輛強度的同時幫助電動汽車減重10%，減重意味著提高電池壽命。馬斯克在談到這一點時直言，特斯拉的結構電池將是一場工程革命。然而，對于電池領域的許多研究人員來說，他們已經看到了馬斯克描述的未來。“它不是嵌入式電池，因為材料本身是一種……能量儲存裝置。說實話，我們已經按照他們十年前說的做了。”帝國大學的材料科學家埃米爾·格林哈爾格說。在結構電池領域，Greenhalgh是世界級的頂級專家，他們的目標是盡可能地抹去電池與其他物體之間的邊界。目前，電池組占據了大多數電子產品的大部分空間和重量。例如，電動汽車三分之一的重量來自電池組。于是，特斯拉提出把電池變成一個框架，而不是把電池組安裝在框架上(比如讓電池組充當底盤，把原本支撐電池組的底盤結構砍掉)。格林哈爾格和他的團隊提出了一個更“激進”的方案:直接拋棄電池組，利用車身進行儲能。新結構電池可以完全“隱形”。在格林哈爾格看來，電能應該儲存在用于制造車身的復合材料中。從這個角度來說，電池不算額外重量，因為整車都會是電池。”這種方案允許各種材料同時承擔兩項任務。格林哈爾格說，“這種新的電動汽車設計可以大大提高車輛的性能和安全性。“手機或電動車的鋰電池主要由四部分組成:正極、負極、電解液、隔膜。電池放電時，鋰離子會從陽極(負極)流向陰極(正極)，并通過中間的可滲透隔板，防止短路。在傳統電池中，這些部件的狀態已經形成:要么疊加，要么鼓形。在結構電池中，我們可以重新配置這些組件，以便嵌入不規則的模具中，承受巨大的物理壓力。結構電池看起來不像立方體或圓柱體，更像翅膀、車身或手機殼。世界上第一個結構電池于2005年在美國陸軍誕生，當時電池的電極由碳纖維制成。碳纖維是一種新型輕質材料，一直是飛機機身和高性能汽車的最愛。除了上述特性，碳纖維還擅長存儲鋰離子，因此成為了其他碳基材料的絕佳替代品，比如石墨(常用于陽極)。然而，在結構電池中，碳纖維需要與類似于磷酸鐵的反應材料混合作為陰極，然后兩個電極由薄的編織玻璃片隔開，不同的層懸浮在電解質中。通過以上工藝，結構電池可以做到百萬分之一米厚，可以切割成任何需要的形狀。除了格林哈爾格，瑞典查爾姆斯理工大學的材料科學家葉小開Asp在過去十年里一直處于結構電池研究的前沿。2010年，Asp、Greenhalgh和一組歐洲科學家合作了一個名為“存儲”的項目。目標是制造一種結構電池，并將其集成到沃爾沃的混合動力原型中。Asp說:“我們當時并不認為這會對社會產生太大影響，但隨著項目的深入，我開始認為這可能是一個非常有用的想法。”在他看來，傳統電池應該被定性為“結構性寄生蟲”。他指出，結構電池的主要優勢是可以增加電動汽車的續航里程。”我們需要關注能源效率，”Asp說。在一個大部分電力仍然由化學燃料產生的世界里，每個電子在對抗氣候變化的過程中都極其重要。在為期三年的項目實驗中，存儲團隊成功地將商用鋰電池集成到整流罩中。但它并不是汽車的主電池，而是一個更小的輔助電池組，可以在汽車等紅燈時為空調、音響和照明提供電源。值得注意的是，這是電池集成在汽車車身結構中的首次概念證明，本質上是特斯拉試圖實現相關效果的迷你版。但把一堆傳統鋰電池夾在車身里，效率還是不如讓車身充當電池。在存儲項目中，Asp和Greenhalgh還開發了一種結構化超級電容器(用作行李箱蓋)。超級電容器類似于電池，但以靜電荷的形式儲存能量，而不是化學反應。這款超級電容器的行李箱蓋由兩層注入碘的碳纖維組成……氮氧化物和氧化鎂，由絕緣層隔開。整個堆棧被包裹在層壓板和塑造成一個箱子的形狀。超級電容器的儲能容量遠不及電池，但它們在快速傳輸少量電荷方面表現出色。格林哈爾格還表示，它們也更容易使用，是擺脫結構電池的必要墊腳石。沃爾沃制造這款車是為了概念驗證，證明了結構化儲能在電動汽車上是可行的，而儲能項目的成功也引發了很多對結構化電池的猜測。然而，盡管有一些跡象，該團隊花了幾年時間從歐洲委員會獲得更多資金。“這是一項非常具有挑戰性的技術，不是砸幾百萬英鎊就能解決的。”格林哈爾格在談到融資困難時說。今年夏天，該團隊開始了一個名為“巫師”(意為魔術師)的研究項目，目標是開發用于飛機的結構鋰電池。航空市場可以說是結構儲能的殺手級應用。商用飛機會產生大量的排放，但客機的電氣化是一個很大的挑戰，因為它們消耗了太多的能源。航空煤油雖然會污染環境，但其能量密度是最先進的商用鋰電池的30倍左右。在一架普通的150座客機上，這意味著每人需要大約1噸的電池來支持他的飛行。換句話說:如果你試圖用現有的電池為這架飛機提供動力，它將永遠無法起飛。無論是空客這樣的航空航天巨頭，還是Zunum這樣的創業公司，他們都已經在客機電氣化方面努力了很多年。但即使他們成功了，用傳統電池填充飛機也有很大的安全風險。一旦大型電池組短路，可能會導致災難性的火災或爆炸。“航空航天業非常保守，用真正的大功率電池包裹飛機會讓飛機坐立不安。”格林哈爾格解釋說，包括固體電解質在內的新興電池化學配方可以降低風險，但仍難以滿足客機巨大的能源需求。這個問題可以通過結構電池來解決。作為巫師項目的一部分，Asp和他的同事們已經建造了由薄碳纖維制成的結構電池，可用于制造飛機的機艙或機翼部件。與十年前他們在存儲項目中生產的電池相比，巫師團隊開發的實驗電池的機械性能和能量密度有了顯著的提高。“目前，我們建造的材料在能量儲存和機械方面已經有20%到30%能夠被系統取代，”Asp說。這是一個巨大的進步。然而，在結構電池走出實驗室進入現實世界的過程中，解決技術難題只能算是成功了一半。政府對汽車、航空行業的監管非常嚴格，廠家往往利潤微薄。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，向制造商證明其優越性能。結構電池充放電時，鋰離子進出碳纖維負極，從而改變其形狀和機械性能。對于制造商和監管機構來說，準確預測這些結構電池在使用中的反應以及如何影響他們駕駛的車輛的性能是非常重要的。為此，Greenhalgh和Asp正在建立數學模型。這些模型將準確地顯示由結構電池制成的車輛在使用過程中的結構變化。Asp指出，結構化電池在汽車上普及可能需要十幾年的時間，因為其功率要求高，在監管方面也面臨挑戰。他預測，在此之前，結構電池將首先登陸消費電子產品。微電子領域先爆發？對于上述觀點，首席科學家、西北太平洋國家實驗室電池與材料系統組主任肖杰表示贊同，“結構化電池在微電子領域的應用非常有前景，但往往被忽視。”"結構電池對微電子設備非常有幫助，因為后者的尺寸有限."肖杰說，雖然傳統電池可以生產到黃豆大小，但這些電池在微電子領域還是太大了，結構電池占用的空間不會超過設備本身。在北方……st太平洋國家實驗室，肖捷和她的同事們研究了微型電池設計中的一些基本問題，例如當結構電池彎曲或扭曲時如何保持電極對齊。“從設計的角度來看，你的陽極和陰極是相反的，這一點非常重要，”肖杰解釋道。“所以即使我們可以使用間隙，如果這些電極沒有對齊，它們也不會參與化學反應，這就限制了形狀不規則的電池的設計。”肖杰和她的團隊已經為微結構電池做出了一些小眾的科學應用，例如鮭魚和蝙蝠的注射跟蹤標簽。但她表示，這些技術在假肢和電子皮膚等新興技術中找到主流應用還需要一段時間。同時，結構電池可能仍然是高耗能機器人的福音。在密歇根大學安娜堡分校的實驗室里，化學家尼古拉斯·科托夫和研究生一起開發了許多小型仿生機器人。“生物體將能量儲存分布到全身，這樣它們就可以執行雙重或三重功能，”科托夫說。“脂肪就是一個很好的例子，它儲存了大量的能量。但問題是:我們如何復制它？”該團隊的目標是創造可以模仿動物的仿生機器，因此他們需要一種可以與機器人骨骼整合的動力源，就像脂肪和肌肉對于人類一樣。他們的一些最新作品包括機器人蝎子、蜘蛛、螞蟻和在地板上漫步的毛毛蟲。所有這些機器人都由一種獨特的結構電池供電，并與它們的運動部件集成在一起。電池像銀殼一樣放在機器人的背部，既能給機器人的機械臟器供電，又能保護機器人的機械臟器。這是為了從自然中汲取靈感來改善那些不自然的東西。與Asp和Greenhalgh正在開發的碳纖維和鋰離子分離器不同，科托夫和他的學生為他們的仿生機器人創造了一種“鋅空氣”電池。這種電池的化學成分允許它比傳統鋰電池儲存更多的能量。它由鋅陽極、碳纖維布陰極和聚合物納米纖維制成的半剛性電解質組成。這種半剛性電解液由納米工程模擬軟骨制成，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根離子。用于車輛的結構電池具有很高的剛性，而科托夫團隊開發的電池應該足夠靈活，以匹配機器人的運動。它們的能量密度也非常高。正如科托夫和他的團隊在今年早些時候發表的一篇論文中所述，新結構電池的能量是同體積傳統鋰電池的72倍。目前，他們的電池用于為機器人玩具和小型無人機供電，但主要目的是證明概念。然而，科托夫表示，預計在不久的將來，結構電池將用于中型機器人和大型無人機。在過去，電池一直是一個附加和限制因素。現在，它正在逐漸從我們眼前消失，融入我們電氣化世界的結構中。在未來，一切都可能是電池，獨立的儲能設備將像固定電話或便攜式CD播放器一樣過時。

標簽：特斯拉沃爾沃優越

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