“无质量”结构电池： 兼顾高能量密度与机械负荷

电动汽车的重量普遍大于同等级燃油车，而重量的很大一部分来源于电池，一般都占了整车重量的三成左右，但是却没有任何承载功能。电池的能量密度和重量充满矛盾：电池体积小了，存的电就少了，续航更低；电池体积大了，存的电多了，但重量也跟着上去了，车子耗电更快，续航照样受到影响。当下，电动汽车广泛采用的是锂离子电池，工程师们在设计时需全面权衡续航里程、加速性能、充电效率以及温度稳定性等多个维度。对于电池重量问题，难道就没有一个两全其美的解决办法吗？

性能提升了10倍

科研人员一直在探索一种多功能结构电池，用以替代传统的储能方案。多功能结构电池是一个将电池的储能功能与承载机械负荷结合的新兴概念，核心优势在于结合了储能与结构支撑功能，减轻重量并增强整体结构的完整性，多功能性在取代锂离子电池中电化学不活跃组件、减轻系统重量和延长续航里程方面显得尤为重要。多功能结构电池被众多人士寄予厚望，视为电动汽车的未来之星。

图 1.“无质量”结构电池通过集成实现了材料层面的多功能性

多功能结构电池的机械性能主要取决于碳纤维与聚合物基体的体积分数，通过线性组合碳纤维和基体的体积分数与其弹性模量，可以计算出复合材料的整体弹性模量。结构电池在系统层面具有显著的减重潜力，尤其在一些实际应用中能够替代传统单功能组件。比如，使用结构电池替代电动汽车的钢制车顶，可以减轻22%的重量。

为了使结构电池在不同应用中的长处得到最大的发挥，设计优化和精确的减重计算至关重要。这些计算不仅要考虑电池的电化学和机械性能，还需要综合研判材料密度和其他相关因素，从而在各种应用中实现性能和重量的平衡。不久前，发表在《先进材料》杂志上的论文显示，瑞典查尔姆斯理工大学雷夫•阿斯普教授和他的研究团队在“无质量储能”研究方面取得进展，开发出一种多功能碳纤维结构电池。这种新型的“无质量”结构电池颠覆人们的想象力，所谓“无质量”并不是真的没有质量，而是将汽车的结构本身变成电池，那不就等同于电池零重量了吗？

碳纤维结构电池通过集成，实现了材料层面的多功能性。关键支柱是碳纤维，用这种复合材料作为正极和负极。其中正极涂有磷酸铁锂，碳纤维不仅作为正极材料，还充当集流体，参与电化学反应，并提供机械刚性。而负极功能则与传统锂离子电池中的石墨类似，不仅储存电荷，还增强了整体结构的机械刚度。

正极和负极之间由玻璃纤维织物分隔，玻璃纤维织物起到结构电解质基质的作用，既能够像传统电池一样在电极之间传输锂离子，又可以帮助将机械负荷分散到结构的不同部分。隔膜在防止短路的同时，促进了离子迁移，并通过浸渍固液电解质提升了电池的耐久性。它由固液双相电解质组成，固相提供了必要的机械负载转移，这种设计有效克服了传统液态电池的局限性，充分体现了结构电池的多功能性。测试结果表明，“无质量”结构电池的性能比以前所有型号的电池都提高了10倍。

查尔姆斯理工大学研究员里卡·乔杜里是研究团队的主要成员，他表示：“我们已经成功地推出了一种由碳纤维复合材料制成的‘无质量’电池，和铝一样坚硬，能量密度足以商业化应用，是一种既能储存能量又能承载负荷的材料。这意味着在电动汽车和手持工具等产品上可以实现更小的重量，很有可能在几年内生产出薄得像一张信用卡的智能手机和笔记本电脑。如果无人机的机翼和机身都能储存能量，其续航能力和载重量将大幅提升。”

续航里程增加70%

查尔姆斯理工大学对“无质量”结构电池的研究已经进行了多年，曾经有一段时间与瑞典斯德哥尔摩的KTH皇家理工学院的研究人员合作。当阿斯普教授和他的研究团队在2018年发表了关于用高刚性、高强度的碳纤维复合材料进行化学储能的第一批研究成果时，迅速引起轰动。这项技术的核心理念简单而大胆，彻底改变消费电子产品的设计。

该项研究描述了一种晶体排列正确的碳纤维形式，既能够提供汽车结构所需的刚度，又具备存储能量所需的电化学性能，被著名的《物理世界》评为2018年度十大突破之一。这份世界权威科学期刊介绍说——“瑞典查尔姆斯理工大学的阿斯普教授及其瑞典、意大利、法国的合作者展示了利用多功能碳纤维实现有效的无质量能量存储的可能性。尽管能量存储技术在不断进步，电池仍然在笔记本电脑乃至电动汽车等设备中占据了很大一部分的重量。阿斯普教授及其合作者没有仅仅聚焦于通过优化电池材料来满足轻便的要求，而是表明利用作为结构支持的碳纤维的电化学特性，能够使设备的质量减轻多达50%。”

从那时起，研究团队进一步探索增加电池刚度和能量密度，2021年达到里程碑。当时“无质量”结构电池的能量密度为24Wh/kg，这意味着容量约为同类锂离子电池的20%。经过6年的努力，这个概念终于从理论走向现实。

图2.“无质量”结构电池兼顾高能量密度与机械负荷

新型“无质量”电池的能量密度达到了30Wh/kg，并在1000次循环中保持了接近100%的库仑效率。而且它的弹性模量超过了76GPa，已经高于目前电动汽车的常用结构材料铝合金了。中模量聚丙烯腈基碳纤维作为负极材料，在机械性能与电化学性能间取得了良好平衡。然而由于涂覆磷酸铁锂与中模量聚丙烯腈基碳纤维界面结合力较弱，导致循环过程中的容量保持率较低，与能量密度达到150-250Wh/kg左右的锂离子电池容量相差甚远，距离与锂离子电池的能量密度相匹配还有很长的路要走。尽管如此，阿斯普研究团队还是提供了一个很好的案例。

阿斯普教授指出：“以前制造结构电池的尝试，要么使电池具有良好的机械性能，要么使电池具有良好的电气性能。但我们现在使用碳纤维复合材料，成功地设计出了一种具有竞争力的结构电池。如果将它集成到电动汽车上以取代典型的锂离子电池，那么汽车的重量就会轻得多，推动它在地面行驶所需的能量也会更少，可以在同等条件下让续航里程增加70%，称得上是一个改变游戏规则的突破和变革。”

图3.未来电动汽车、飞机、自行车、智能手机和笔记本电脑会变得更

未来电池能量密度达到75Wh/kg

研究团队表示，“无质量”结构电池在提升全电动系统的耐用性、机动性和智能功能方面拥有巨大的潜力。通过将储能功能直接集成到结构部件中，不仅延长了系统的操作耐久性，还增强了电动汽车及其他高科技应用中的移动能力和智能化功能。他们下一步的目标是进一步提高能量和机械性能，促进更快地充电。阿斯普教授预测，“无质量”结构电池未来可以提供高达75Wh/kg的能量密度。

采用“无质量”结构电池后，电动汽车将迎来巨大变革。传统笨重的电池组将成为历史，整车重量也会显著降低。犹如给电动车做了减重手术，同时增强了“肌肉”。车辆不仅变轻巧，行驶更远，结构也更牢固，安全性得到提升。这项技术还将为汽车设计师打开创意之门，摆脱了传统电池的束缚之后，车身可以设计得更加有线条感并且美观。在未来，我们可能会看到各种造型新颖却性能出众的电动车。

然而，新技术的出现往往伴随着挑战，量产成本、安全性、耐久性等问题仍待解决。碳纤维本身也带来了一些可持续性问题，生产这种材料产需要大量能源，并且难以回收。也有人担心如此轻薄的设备是否容易损坏，电池寿命如何保证，这些问题都需要进一步研究和时间来解答。尽管如此，“无质量”电池的出现无疑开启了能源存储的新思路。查尔姆斯理工大学研究团队已经成立了一家初创公司用于商业化的实验。

阿斯普研究团队已经在“无质量”结构电池的研究方面有了一定的成果，不过离最终的大规模生产和商业化还有一段距离。有人预测这项技术至少需要5~10年才能真正商业化。虽然这种多功能结构电池的碳纤维能量密度足够高，但是在电池的高效率运用中关于电池中的离子通过电解质的速度问题现在依然还没有解决。“无质量”结构电池还需要大量投资来满足不同的行业所需要的有特殊性的电池需求，不过这也是它可以发挥最大作用的时机。

（编译自cleantechnica.com, January 2, 2025）

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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