「结构电池」新突破丨未来电池或像「脂肪」一样遍布全车？

在过去，关于结构电池的讨论和研究正在蓬勃发展。在今年9月底的特斯拉“电池日”上，埃隆·马斯克(Elon Musk)做出了承诺:除了无钴阳极和纯镍阴极等高能量技术，他们还将把电池变成一个框架，在提高车辆强度的同时帮助电动汽车减重10%，减重意味着提高电池寿命。马斯克在谈到这一点时直言，特斯拉的结构电池将是一场工程革命。然而，对于电池领域的许多研究人员来说，他们已经看到了马斯克描述的未来。“它不是嵌入式电池，因为这种材料本身就是一种储能装置。说实话，他们十年前说的，我们已经做到了。”帝国大学的材料科学家Emile Greenhalgh说。在结构电池领域，Greenhalgh是世界级的顶级专家，他们的目标是尽可能地抹去电池与其他物体之间的边界。目前，电池组占据了大多数电子产品的大部分空间和重量。例如，电动汽车三分之一的重量来自电池组。于是，特斯拉提出把电池变成一个框架，而不是把电池组安装在框架上(比如让电池组充当底盘，把原本支撑电池组的底盘结构砍掉)。格林哈尔格和他的团队提出了一个更“激进”的方案:直接抛弃电池组，利用车身进行储能。新结构电池可以完全“隐形”。在格林哈尔格看来，电能应该储存在用于制造车身的复合材料中。从这个角度来说，电池不算额外重量，因为整车都会是电池。"这种方案允许各种材料同时承担两项任务."格林哈尔格说，“这种新的电动汽车设计可以大大提高车辆性能和安全性。”手机或电动车的锂电池主要由四部分组成:正极、负极、电解液、隔膜。电池放电时，锂离子会从阳极(负极)流向阴极(正极)，并通过中间的可渗透隔板，防止短路。在传统电池中，这些部件的状态已经形成:要么叠加，要么鼓形。在结构电池中，我们可以重新配置这些组件，以便嵌入不规则的模具中，承受巨大的物理压力。结构电池看起来不像立方体或圆柱体，更像翅膀、车身或手机壳。世界上第一个结构电池于2005年在美国陆军诞生，当时电池的电极由碳纤维制成。碳纤维是一种新型轻质材料，一直是飞机机身和高性能汽车的最爱。除了上述特性，碳纤维还擅长存储锂离子，因此成为了其他碳基材料的绝佳替代品，比如石墨(常用于阳极)。然而，在结构电池中，碳纤维需要与类似于磷酸铁的反应材料混合作为阴极，然后两个电极由薄的编织玻璃片隔开，不同的层悬浮在电解质中。通过以上工艺，结构电池可以做到百万分之一米厚，可以切割成任何需要的形状。除了格林哈尔格，瑞典查尔姆斯理工大学的材料科学家叶小开Asp在过去十年里一直处于结构电池研究的前沿。2010年，Asp、Greenhalgh和一组欧洲科学家合作了一个名为“存储”的项目。目标是制造一种结构电池，并将其集成到沃尔沃的混合动力原型中。Asp说:“我们当时并不认为这会对社会产生太大影响，但随着项目的深入，我开始认为这可能是一个非常有用的想法。”在他看来，传统电池应该被定性为“结构性寄生虫”。他指出，结构电池的主要优势是可以增加电动汽车的续航里程。“我们需要关注能源效率，”Asp说。在一个大部分电力仍然由化学燃料产生的世界里，每个电子在对抗气候变化的过程中都极其重要。在为期三年的项目实验中，存储团队成功地将商用锂电池集成到整流罩中。然而，它不是汽车的主电池，而是一个较小的辅助电池组，可以在汽车等待时为空调、音响和照明提供电源……因为红灯。值得注意的是，这是电池集成在汽车车身结构中的首次概念证明，本质上是特斯拉试图实现相关效果的迷你版。但把一堆传统锂电池夹在车身里，效率还是不如让车身充当电池。在存储项目中，Asp和Greenhalgh还开发了一种结构化超级电容器(用作行李箱盖)。超级电容器类似于电池，但以静电荷的形式储存能量，而不是化学反应。这款化身超级电容器的后备箱盖由两层注入氧化铁和氧化镁的碳纤维组成，中间隔着一层绝缘层。整个堆栈被包裹在层压板和塑造成一个箱子的形状。超级电容器的储能容量远不及电池，但它们在快速传输少量电荷方面表现出色。格林哈尔格还表示，它们也更容易使用，是摆脱结构电池的必要垫脚石。沃尔沃制造这款车是为了概念验证，证明了结构化储能在电动汽车上是可行的，而储能项目的成功也引发了很多对结构化电池的猜测。然而，尽管有一些迹象，该团队花了几年时间从欧洲委员会获得更多资金。“这是一项非常具有挑战性的技术，不是砸几百万英镑就能解决的。”格林哈尔格在谈到融资困难时说。今年夏天，该团队开始了一个名为“巫师”(意为魔术师)的研究项目，目标是开发用于飞机的结构锂电池。航空市场可以说是结构储能的杀手级应用。商用飞机会产生大量的排放，但客机的电气化是一个很大的挑战，因为它们消耗了太多的能源。航空煤油虽然会污染环境，但其能量密度是最先进的商用锂电池的30倍左右。在一架普通的150座客机上，这意味着每人需要大约1吨的电池来支持他的飞行。换句话说:如果你试图用现有的电池为这架飞机提供动力，它将永远无法起飞。无论是空客这样的航空航天巨头，还是Zunum这样的创业公司，他们都已经在客机电气化方面努力了很多年。但即使他们成功了，用传统电池填充飞机也有很大的安全风险。一旦大型电池组短路，可能会导致灾难性的火灾或爆炸。“航空航天业非常保守，用真正的大功率电池包裹飞机会让飞机坐立不安。”格林哈尔格解释说，包括固体电解质在内的新兴电池化学配方可以降低风险，但仍难以满足客机巨大的能源需求。这个问题可以通过结构电池来解决。作为巫师项目的一部分，Asp和他的同事们已经建造了由薄碳纤维制成的结构电池，可用于制造飞机的机舱或机翼部件。与十年前他们在存储项目中生产的电池相比，巫师团队开发的实验电池的机械性能和能量密度有了显著的提高。“目前，我们建造的材料在能量储存和机械方面已经有20%到30%能够被系统取代，”Asp说。这是一个巨大的进步。然而，在结构电池走出实验室进入现实世界的过程中，解决技术难题只能算是成功了一半。政府对汽车、航空行业的监管非常严格，厂家往往利润微薄。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，向制造商证明其优越性能。结构电池充放电时，锂离子进出碳纤维负极，从而改变其形状和机械性能。对于制造商和监管机构来说，准确预测这些结构电池在使用中的反应以及如何影响他们驾驶的车辆的性能是非常重要的。为此，Greenhalgh和Asp正在建立数学模型。这些模型将准确地显示由结构电池制成的车辆在使用过程中的结构变化。Asp指出，结构化电池在汽车上普及可能需要十几年的时间，因为其功率要求高，在监管方面也面临挑战。他预测，在此之前，结构电池将首先……和消费电子产品中。微电子领域先爆发？对于上述观点，首席科学家、西北太平洋国家实验室电池与材料系统组主任肖杰表示赞同，“结构化电池在微电子领域的应用非常有前景，但往往被忽视。”"结构电池对微电子设备非常有帮助，因为后者的尺寸有限."肖杰说，虽然传统电池可以生产到黄豆大小，但这些电池在微电子领域还是太大了，结构电池占用的空间不会超过设备本身。在西北太平洋国家实验室，肖捷和她的同事们研究了微型电池设计中的一些基本问题，例如当结构电池弯曲或扭曲时，如何保持电极对齐。“从设计的角度来看，你的阳极和阴极是相反的，这一点非常重要，”肖杰解释道。“所以即使我们可以使用间隙，如果这些电极没有对齐，它们也不会参与化学反应，这就限制了形状不规则的电池的设计。”肖杰和她的团队已经为微结构电池做出了一些小众的科学应用，例如鲑鱼和蝙蝠的注射跟踪标签。但她表示，这些技术在假肢和电子皮肤等新兴技术中找到主流应用还需要一段时间。同时，结构电池可能仍然是高耗能机器人的福音。在密歇根大学安娜堡分校的实验室里，化学家尼古拉斯·科托夫和研究生一起开发了许多小型仿生机器人。“生物体将能量储存分布到全身，这样它们就可以执行双重或三重功能，”科托夫说。“脂肪就是一个很好的例子，它储存了大量的能量。但问题是:我们如何复制它？”该团队的目标是创造可以模仿动物的仿生机器，因此他们需要一种可以与机器人骨骼整合的动力源，就像脂肪和肌肉对于人类一样。他们的一些最新作品包括机器人蝎子、蜘蛛、蚂蚁和在地板上漫步的毛毛虫。所有这些机器人都由一种独特的结构电池供电，并与它们的运动部件集成在一起。电池像银壳一样放在机器人的背部，既能给机器人的机械脏器供电，又能保护机器人的机械脏器。这是为了从自然中汲取灵感来改善那些不自然的东西。与Asp和Greenhalgh正在开发的碳纤维和锂离子分离器不同，科托夫和他的学生为他们的仿生机器人创造了一种“锌空气”电池。这种电池的化学成分允许它比传统锂电池储存更多的能量。它由锌阳极、碳纤维布阴极和聚合物纳米纤维制成的半刚性电解质组成。这种半刚性电解液由纳米工程模拟软骨制成，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根离子。用于车辆的结构电池具有很高的刚性，而科托夫团队开发的电池应该足够灵活，以匹配机器人的运动。它们的能量密度也非常高。正如科托夫和他的团队在今年早些时候发表的一篇论文中所述，新结构电池的能量是同体积传统锂电池的72倍。目前，他们的电池用于为机器人玩具和小型无人机供电，但主要目的是证明概念。然而，科托夫表示，预计在不久的将来，结构电池将用于中型机器人和大型无人机。在过去，电池一直是一个附加和限制因素。现在，它正在逐渐从我们眼前消失，融入我们电气化世界的结构中。在未来，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播放器一样过时。在过去，关于结构电池的讨论和研究正在蓬勃发展。在今年9月底的特斯拉“电池日”上，埃隆·马斯克(Elon Musk)做出了承诺:除了无钴阳极和纯镍阴极等高能量技术，他们还将把电池变成一个框架，在提高车辆强度的同时帮助电动汽车减重10%，减重意味着提高电池寿命。马斯克在谈到这一点时直言，特斯拉的结构电池将是一场工程革命。然而，对于电池领域的许多研究人员来说，他们已经看到了马斯克描述的未来。“它不是嵌入式电池，因为材料本身是一种……能量储存装置。说实话，我们已经按照他们十年前说的做了。”帝国大学的材料科学家埃米尔·格林哈尔格说。在结构电池领域，Greenhalgh是世界级的顶级专家，他们的目标是尽可能地抹去电池与其他物体之间的边界。目前，电池组占据了大多数电子产品的大部分空间和重量。例如，电动汽车三分之一的重量来自电池组。于是，特斯拉提出把电池变成一个框架，而不是把电池组安装在框架上(比如让电池组充当底盘，把原本支撑电池组的底盘结构砍掉)。格林哈尔格和他的团队提出了一个更“激进”的方案:直接抛弃电池组，利用车身进行储能。新结构电池可以完全“隐形”。在格林哈尔格看来，电能应该储存在用于制造车身的复合材料中。从这个角度来说，电池不算额外重量，因为整车都会是电池。”这种方案允许各种材料同时承担两项任务。格林哈尔格说，“这种新的电动汽车设计可以大大提高车辆的性能和安全性。“手机或电动车的锂电池主要由四部分组成:正极、负极、电解液、隔膜。电池放电时，锂离子会从阳极(负极)流向阴极(正极)，并通过中间的可渗透隔板，防止短路。在传统电池中，这些部件的状态已经形成:要么叠加，要么鼓形。在结构电池中，我们可以重新配置这些组件，以便嵌入不规则的模具中，承受巨大的物理压力。结构电池看起来不像立方体或圆柱体，更像翅膀、车身或手机壳。世界上第一个结构电池于2005年在美国陆军诞生，当时电池的电极由碳纤维制成。碳纤维是一种新型轻质材料，一直是飞机机身和高性能汽车的最爱。除了上述特性，碳纤维还擅长存储锂离子，因此成为了其他碳基材料的绝佳替代品，比如石墨(常用于阳极)。然而，在结构电池中，碳纤维需要与类似于磷酸铁的反应材料混合作为阴极，然后两个电极由薄的编织玻璃片隔开，不同的层悬浮在电解质中。通过以上工艺，结构电池可以做到百万分之一米厚，可以切割成任何需要的形状。除了格林哈尔格，瑞典查尔姆斯理工大学的材料科学家叶小开Asp在过去十年里一直处于结构电池研究的前沿。2010年，Asp、Greenhalgh和一组欧洲科学家合作了一个名为“存储”的项目。目标是制造一种结构电池，并将其集成到沃尔沃的混合动力原型中。Asp说:“我们当时并不认为这会对社会产生太大影响，但随着项目的深入，我开始认为这可能是一个非常有用的想法。”在他看来，传统电池应该被定性为“结构性寄生虫”。他指出，结构电池的主要优势是可以增加电动汽车的续航里程。”我们需要关注能源效率，”Asp说。在一个大部分电力仍然由化学燃料产生的世界里，每个电子在对抗气候变化的过程中都极其重要。在为期三年的项目实验中，存储团队成功地将商用锂电池集成到整流罩中。但它并不是汽车的主电池，而是一个更小的辅助电池组，可以在汽车等红灯时为空调、音响和照明提供电源。值得注意的是，这是电池集成在汽车车身结构中的首次概念证明，本质上是特斯拉试图实现相关效果的迷你版。但把一堆传统锂电池夹在车身里，效率还是不如让车身充当电池。在存储项目中，Asp和Greenhalgh还开发了一种结构化超级电容器(用作行李箱盖)。超级电容器类似于电池，但以静电荷的形式储存能量，而不是化学反应。这款超级电容器的行李箱盖由两层注入碘的碳纤维组成……氮氧化物和氧化镁，由绝缘层隔开。整个堆栈被包裹在层压板和塑造成一个箱子的形状。超级电容器的储能容量远不及电池，但它们在快速传输少量电荷方面表现出色。格林哈尔格还表示，它们也更容易使用，是摆脱结构电池的必要垫脚石。沃尔沃制造这款车是为了概念验证，证明了结构化储能在电动汽车上是可行的，而储能项目的成功也引发了很多对结构化电池的猜测。然而，尽管有一些迹象，该团队花了几年时间从欧洲委员会获得更多资金。“这是一项非常具有挑战性的技术，不是砸几百万英镑就能解决的。”格林哈尔格在谈到融资困难时说。今年夏天，该团队开始了一个名为“巫师”(意为魔术师)的研究项目，目标是开发用于飞机的结构锂电池。航空市场可以说是结构储能的杀手级应用。商用飞机会产生大量的排放，但客机的电气化是一个很大的挑战，因为它们消耗了太多的能源。航空煤油虽然会污染环境，但其能量密度是最先进的商用锂电池的30倍左右。在一架普通的150座客机上，这意味着每人需要大约1吨的电池来支持他的飞行。换句话说:如果你试图用现有的电池为这架飞机提供动力，它将永远无法起飞。无论是空客这样的航空航天巨头，还是Zunum这样的创业公司，他们都已经在客机电气化方面努力了很多年。但即使他们成功了，用传统电池填充飞机也有很大的安全风险。一旦大型电池组短路，可能会导致灾难性的火灾或爆炸。“航空航天业非常保守，用真正的大功率电池包裹飞机会让飞机坐立不安。”格林哈尔格解释说，包括固体电解质在内的新兴电池化学配方可以降低风险，但仍难以满足客机巨大的能源需求。这个问题可以通过结构电池来解决。作为巫师项目的一部分，Asp和他的同事们已经建造了由薄碳纤维制成的结构电池，可用于制造飞机的机舱或机翼部件。与十年前他们在存储项目中生产的电池相比，巫师团队开发的实验电池的机械性能和能量密度有了显著的提高。“目前，我们建造的材料在能量储存和机械方面已经有20%到30%能够被系统取代，”Asp说。这是一个巨大的进步。然而，在结构电池走出实验室进入现实世界的过程中，解决技术难题只能算是成功了一半。政府对汽车、航空行业的监管非常严格，厂家往往利润微薄。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，向制造商证明其优越性能。结构电池充放电时，锂离子进出碳纤维负极，从而改变其形状和机械性能。对于制造商和监管机构来说，准确预测这些结构电池在使用中的反应以及如何影响他们驾驶的车辆的性能是非常重要的。为此，Greenhalgh和Asp正在建立数学模型。这些模型将准确地显示由结构电池制成的车辆在使用过程中的结构变化。Asp指出，结构化电池在汽车上普及可能需要十几年的时间，因为其功率要求高，在监管方面也面临挑战。他预测，在此之前，结构电池将首先登陆消费电子产品。微电子领域先爆发？对于上述观点，首席科学家、西北太平洋国家实验室电池与材料系统组主任肖杰表示赞同，“结构化电池在微电子领域的应用非常有前景，但往往被忽视。”"结构电池对微电子设备非常有帮助，因为后者的尺寸有限."肖杰说，虽然传统电池可以生产到黄豆大小，但这些电池在微电子领域还是太大了，结构电池占用的空间不会超过设备本身。在北方……st太平洋国家实验室，肖捷和她的同事们研究了微型电池设计中的一些基本问题，例如当结构电池弯曲或扭曲时如何保持电极对齐。“从设计的角度来看，你的阳极和阴极是相反的，这一点非常重要，”肖杰解释道。“所以即使我们可以使用间隙，如果这些电极没有对齐，它们也不会参与化学反应，这就限制了形状不规则的电池的设计。”肖杰和她的团队已经为微结构电池做出了一些小众的科学应用，例如鲑鱼和蝙蝠的注射跟踪标签。但她表示，这些技术在假肢和电子皮肤等新兴技术中找到主流应用还需要一段时间。同时，结构电池可能仍然是高耗能机器人的福音。在密歇根大学安娜堡分校的实验室里，化学家尼古拉斯·科托夫和研究生一起开发了许多小型仿生机器人。“生物体将能量储存分布到全身，这样它们就可以执行双重或三重功能，”科托夫说。“脂肪就是一个很好的例子，它储存了大量的能量。但问题是:我们如何复制它？”该团队的目标是创造可以模仿动物的仿生机器，因此他们需要一种可以与机器人骨骼整合的动力源，就像脂肪和肌肉对于人类一样。他们的一些最新作品包括机器人蝎子、蜘蛛、蚂蚁和在地板上漫步的毛毛虫。所有这些机器人都由一种独特的结构电池供电，并与它们的运动部件集成在一起。电池像银壳一样放在机器人的背部，既能给机器人的机械脏器供电，又能保护机器人的机械脏器。这是为了从自然中汲取灵感来改善那些不自然的东西。与Asp和Greenhalgh正在开发的碳纤维和锂离子分离器不同，科托夫和他的学生为他们的仿生机器人创造了一种“锌空气”电池。这种电池的化学成分允许它比传统锂电池储存更多的能量。它由锌阳极、碳纤维布阴极和聚合物纳米纤维制成的半刚性电解质组成。这种半刚性电解液由纳米工程模拟软骨制成，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根离子。用于车辆的结构电池具有很高的刚性，而科托夫团队开发的电池应该足够灵活，以匹配机器人的运动。它们的能量密度也非常高。正如科托夫和他的团队在今年早些时候发表的一篇论文中所述，新结构电池的能量是同体积传统锂电池的72倍。目前，他们的电池用于为机器人玩具和小型无人机供电，但主要目的是证明概念。然而，科托夫表示，预计在不久的将来，结构电池将用于中型机器人和大型无人机。在过去，电池一直是一个附加和限制因素。现在，它正在逐渐从我们眼前消失，融入我们电气化世界的结构中。在未来，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播放器一样过时。

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