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整个车身就是一块电池:汽车制造商开发用车身储能充电的技术

2020-11-10 14:04:01 来源:互联网 阅读:0
整个车身就是一块电池:汽车制造商开发用车身储能充电的技术

图片来源:Getty

埃隆-马斯克在去年9月的特斯拉电池日上做了很多承诺。他说,Tesla公司很快就会有一款使用纯硅阳极电池的车型,以提升其性能并降低价格。它的电池组将被整合到底盘中,这样除了提供能量外,还能提供机械支持。马斯克称这种设计将使汽车重量减轻10%,并使其里程数提高更多。他称赞特斯拉的结构性电池是工程领域的一场“革命”,但对于一些电池研究人员来说,马斯克的未来看起来已经有些落伍了。

“他基本上在做我们10年前就做过的事情,”伦敦帝国理工学院材料科学家、英国皇家科学院新兴技术工程主席埃米尔-格林哈尔如此评价马斯克。格林哈尔是世界上领先的结构电池专家之一,这是一种消除电池和它所供电的物体之间的边界的储能方法。“我们正在做的事情超越了埃隆-马斯克一直在谈论的事情,”格林哈尔说,“没有嵌入式电池。材料本身就是储能装置。”

如今,电池在大多数电子产品的尺寸和重量中占了很大一部分。一部智能手机主要是一个锂离子电池,周围塞满了一些处理器。无人机的体积受限于所能携带的电池。而一辆电动汽车的重量中,大约三分之一是它的电池组。解决这个问题的一种方法是将传统电池内置到汽车本身的结构中,就像特斯拉计划做的那样。不是用汽车的地板来支撑电池组,而是让电池组成为地板。

但对于格林哈尔和他的同伴来说,更有前途的方法是取消电池组,改用汽车的车身来储能。与嵌入底盘的传统电池组不同,这些结构电池是看不见的。储电发生在构成汽车框架的复合材料薄层中。从某种意义上说,它们是无重量的,因为汽车就是电池。

格林哈尔说道,“这是让材料同时做两件事。”这种电动车设计的新思路可以带来巨大的性能提升,并提高安全性,因为不会有成千上万个能量密集且易燃的电池装入车内。

仔细观察

手机或电动车电池组内的锂离子电池主要有四个部分:阴极、阳极、电解液和分离器。当电池放电时,锂离子从负极阳极流经电解液到正极,被渗透性分离器隔开,防止短路。在传统电池中,这些元素要么像婚礼蛋糕一样堆叠在一起,要么像果冻卷一样互相缠绕在一起,以便将尽可能多的能量装入小体积中。但在结构电池中,它们必须重新配置,以便电池可以被塑造成不规则的形状,并承受物理压力。结构电池看起来不像立方体或圆柱体,它看起来像飞机机翼、汽车车身或手机壳。

美国军方在2000年代中期开发的第一款结构电池就使用碳纤维作为电池的电极。碳纤维是一种轻质、超强的材料,经常被用来构成飞机和高性能汽车的车身。它在储存锂离子方面也很出色,这使它成为典型锂离子电池中用作阳极的石墨等其他碳基材料的良好替代品。但在结构电池中,由于需要提供支撑,注入磷酸铁等活性材料的碳纤维也被用于阴极。一张薄薄的编织玻璃片将两个电极隔开,这些层悬浮在电解液中,就像电化学果冻中的水果一样。整个合起来只有几百万分之一米厚,可以切割成任何需要的形状。

一种“结构性寄生虫”

瑞典查尔姆斯理工大学的材料科学家莱夫-阿斯普,在过去十年里一直站在结构电池研究的最前沿。2010年,阿斯普、格林哈尔和一个欧洲科学家团队合作开展了一个名叫“储能”的项目。该项目旨在制造结构电池,并将其集成到沃尔沃混合动力汽车的原型车中。

阿斯普说:“当时,我认为它不会对社会产生多大影响,但随着我们的进展,我觉得这可能是一个非常有用的想法。”他将传统电池定性为“结构寄生虫”。他说,结构电池的主要好处是,它们可以减少电动车行驶相同距离所需的能量,或者可以增加其续航里程。阿斯普表示,人类需要关注能源效率问题。在一个大部分电力仍由化石燃料生产的世界里,每一个电子在对抗气候变化的过程中都很重要。

在为期三年的项目中,“储能”项目团队成功地将商用锂离子电池集成到了一个羽流罩中。这是一个被动的组件,可以调节发动机的进气量。它不是汽车的主电池,而是一个较小的辅助电池组,当发动机在红绿灯前暂时关闭时,它为空调、音响和灯光提供电力。这是第一次将结构性电池集成到实际车体中的概念验证,本质上是特斯拉试图实现的小规模版本。

但把一堆传统的锂离子电池夹在车身上,并不如让车体充当自己的电池来得高效。在“储能”项目合作期间,阿斯普和格林哈尔还开发了一种结构性超级电容,用作后备箱盖。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。为沃尔沃后备箱制作的是由两层注入氧化铁和氧化镁的碳纤维组成,中间用绝缘层隔开。整个堆栈被层压板包裹,并被塑造成后备箱的形状。

“真的开始滚雪球了”

超级电容器的能量不如电池,但它们在快速提供少量电荷方面非常出色。格林哈尔说,它们也更容易使用,是实现与电池相同工作的必要的垫脚石。沃尔沃是这个概念的佐证,结构性储能在电动车中是可行的,而储能项目的成功也引发了对结构性电池的大量炒作。但尽管有这样的热情,团队还是花了几年时间从欧盟委员会获得了更多的资金,才将这项技术推向了新的高度。“这是一项非常具有挑战性的技术,不是扔几百万英镑就能解决的。”格林哈尔谈到融资困难时说,“我们得到了更多的资金,现在真的开始滚雪球了。”

今年夏天,阿斯普、格林哈尔和一个欧洲研究团队完成了另一个名为“巫师”的三年研究项目,目标是开发用于商用飞机的结构性锂离子电池。航空应用可以说是结构储能的重要突破领域。商用飞机会产生大量的废气,但客机的电气化是一大挑战,因为它们需要大量的能量。喷气燃料对环境很糟糕,但它的能量密度是最先进的商用锂离子电池的30倍左右。在一架典型的150名乘客的飞机上,这意味着每人需要大约1吨电池。如果你试图用现有的电池为这架喷气式飞机提供电力,飞机将永远无法起飞。

像空客这样成熟的航空航天公司和像Zunum这样的初创公司多年来一直致力于客机电气化。但即使他们成功了,在飞机上装满传统电池也存在一些重大的安全风险。大型电池组的短路可能会引起灾难性的火灾或爆炸。格林哈尔说,“航空航天部门非常保守,他们对用这些真正的高功率电池包装飞机感到紧张。”新兴的电池化学成分,包括固体电解质,可以降低风险,但满足客机的巨大能量需求仍然是一个重大挑战,科学家可以用结构电池来解决。

“一个巨大的进步”

作为“巫师”项目的一部分,阿斯普和他的同事们创造了由薄层碳纤维制成的结构电池。可以想象,这种电池可以用来制造飞机的机舱或机翼的部分。巫师团队开发的实验电池与十年前他们在“储能”计划中生产的电池相比,机械性能和能量密度都有显著提高。阿斯普表示,“现在,我们可以制造出同时具有至少20%到30%的储能能力和机械能力的材料,这是一个巨大的进步。”

但在让结构电池走出实验室,进入现实世界的过程中,技术挑战只是战役的一半。汽车和航空业都受到严格的监管,制造商往往利润微薄。这意味着将新材料引入汽车和飞机行业需要向监管机构证明其安全性,并向制造商证明其优越的性能。

当结构电池充放电时,锂离子在碳纤维阴极中进进出出,从而改变其形状和机械性能。对于制造商和监管机构来说,能够准确预测这些结构电池在使用时的反应,以及如何影响它们所驱动的车辆的性能,这一点非常重要。为此,格林哈尔和阿斯普正在建立数学模型,这些模型将准确地显示用这些电池制造的车辆在使用过程中的结构变化。阿斯普说,由于结构性电池对功率的要求很高,而且在监管方面也面临着挑战,因此在汽车中部署结构性电池可能还需要十多年的时间。他预测,在这之前,它们将在消费电子产品中变得普遍。

微电子

太平洋西北国家实验室电池与材料系统组首席科学家兼经理肖杰(音译)对此表示赞同。她认为,一个特别有前途的、经常被忽视的应用领域就是微电子领域。这些设备可以轻松地装在指尖上,对医疗植入物特别有用。但首先,需要有一种方法来为它们供电。

“结构电池对微电子学非常有帮助,因为微电子的体积非常受限。”肖杰说。虽然可以将传统电池缩小到米粒大小,但这些电池在微电子领域仍然占据了宝贵的空间。结构电池所占的空间不会超过设备本身。在太平洋西北国家实验室,肖和她的同事们研究了微电池设计的一些基本问题,比如当结构电池弯曲或扭曲时,如何保持电极之间的对齐。“从设计的角度来看,正极和负极面对面是非常重要的,”肖解释道,“所以即使我们可以利用空隙空间,如果这些电极不对齐,它们也不会参与化学反应。所以这限制了不规则形状结构电池的设计。”

肖和她的团队已经为微结构电池进行了一些小众的科学应用,比如鲑鱼和蝙蝠的可注射追踪标签。但她表示,它们要想在假肢电子皮肤等新兴技术中找到主流应用还需要一段时间。但与此同时,结构电池可能是高能耗机器人的福音。在密歇根大学安阿伯校园的实验室里,化学家和化学工程师尼古拉斯-科托夫监督着他与研究生一起开发的小型仿生机器人的动物园。“生物体将能量储存分布在整个身体中,以便它们发挥双重或三重功能,”科托夫说,“脂肪是一个很好的例子。它有很多能量储存。问题是:我们如何复制它?”

该团队的目标是创造模仿动物的机器,因此他们需要一个能够与机器人骨骼整合的电源,就像人类的脂肪和肌肉一样。该团队的一些最新作品包括机器人蝎子、蜘蛛、蚂蚁和在地板上滑行的毛毛虫。所有这些都是由一个独特的结构电池与其运动部件集成的动力。电池像一个银色的外壳一样位于机器人的背面,它既能给机器人的机械内脏供电,又能保护机器人的机械内脏。这是从自然界中汲取灵感,改善非自然的现象。

与阿斯普和格林哈尔正在开发的碳纤维和锂离子片不同,科托夫和他的学生为他们的动物机器创造了一种“锌-空气”结构电池。这种电池的化学成分能够比传统的锂离子电池储存更多的能量。它由锌阳极、碳布阴极和由聚合物纳米纤维制成的半刚性电解质组成。这种半刚性电解质是由纳米工程模拟软骨制成的。这种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离子。

车辆用的结构电池具有很高的刚性,而科托夫团队开发的电池则是要具有柔韧性,以应对机器人的运动。它们的能量密度也非常大。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详述的那样,他们的结构电池的能量容量是相同体积的传统锂离子电池的72倍。目前,他们的电池被用来为机器人玩具和小型无人机供电,以作为概念的验证。但科托夫表示,他预计在不久的将来,它们将被用于中型机器人以及大型无人机。“无人机和中型机器人需要有新的储能解决方案,”科托夫表示,“我可以向你保证,结构电池将是其中的一部分。”

电池一直是一个附加物,一个限制因素,也是一个寄生虫。今天,它正在我们眼前消失,融进我们电气化世界的结构中。在未来,一切都将是电池,独立的储能设备将显得像固定电话和便携式CD机一样古板。这好比一位伟大的魔术师的工作:让你看得到的东西瞬间消失。


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