車身儲(chǔ)能設(shè)計(jì)
北京時(shí)間11月9日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，埃隆·馬斯克今年9月在特斯拉的“電池日”活動(dòng)上宣布，該公司將很快推出一款使用純硅陽(yáng)極電池的汽車，以提高電池的性能，并減少陰極中的鈷含量，以降低汽車價(jià)格。這種電池組將被整合到底盤上，以便在提供動(dòng)力的同時(shí)提供機(jī)械支持。馬斯克稱稱贊特斯拉的結(jié)構(gòu)電池是工程領(lǐng)域的一場(chǎng)“革命”。然而但對(duì)于一些電池研究人員來(lái)說，馬斯克的未來(lái)展望不過是他們?cè)?jīng)努力的范疇，而現(xiàn)在，他們已超越這一領(lǐng)域，正在開發(fā)一種結(jié)構(gòu)性電池。這種結(jié)構(gòu)性電池在未來(lái)有可能會(huì)淘汰現(xiàn)有電池組，用車身來(lái)儲(chǔ)能。
倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的材料學(xué)家兼皇家學(xué)院新興技術(shù)工程系主任埃米爾·格林哈爾希（Emile Greenhalgh）在評(píng)價(jià)特斯拉最新電池時(shí)表示，這不過是他們10年前已經(jīng)做過的事情。格林哈爾希是結(jié)構(gòu)電池領(lǐng)域的世界頂級(jí)專家之一，結(jié)構(gòu)電池是一種消除電池與被供能物體之間邊界的儲(chǔ)能方法。格林哈爾希直言，“我們目前開發(fā)的項(xiàng)目已經(jīng)超出了埃隆·馬斯克討論的范疇，不需要嵌入式電池，材料本身就是能量?jī)?chǔ)存裝置?！?/p>
電池如今在大部分電子產(chǎn)品的體積和重量中占據(jù)了相當(dāng)大的一部分。智能手機(jī)最大的零部件無(wú)疑就是鋰離子電池、無(wú)人機(jī)的大小也受到其攜帶電池的限制，而一輛電動(dòng)汽車大約三分之一的重量是電池組。解決這個(gè)問題的一種方法是在汽車本身的結(jié)構(gòu)中加入傳統(tǒng)的電池，把電池組整合到地盤中，就像特斯拉計(jì)劃做的那樣。但是對(duì)于格林哈爾希和他的合作者來(lái)說，更有前途的方法是淘汰電池組，轉(zhuǎn)而使用汽車的車身來(lái)存儲(chǔ)能量。與傳統(tǒng)的嵌入底盤的電池組不同，這些結(jié)構(gòu)電池是隱形的。電能儲(chǔ)存發(fā)生在構(gòu)成車架的薄層復(fù)合材料中。在某種意義上，電池不會(huì)增加任何重量，因?yàn)檐嚿砭褪请姵亍?/p>
對(duì)此，格林哈爾希解釋，這是設(shè)計(jì)是讓材料同時(shí)具備兩種功能。這種考慮電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的新方法可以提供巨大的性能收益并提高安全性，因?yàn)槠嚴(yán)锊粫?huì)裝上成千上萬(wàn)個(gè)能量密集的可燃電池。
2010年，格林哈爾希與瑞典查爾默斯理工大學(xué)材料學(xué)家萊夫·阿斯普（Leif Asp）和一個(gè)歐洲科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)儲(chǔ)能項(xiàng)目。阿斯普在過去的十年中一直處于結(jié)構(gòu)電池研究的前沿，他將傳統(tǒng)電池定性為“結(jié)構(gòu)寄生蟲”，并指出結(jié)構(gòu)電池的主要好處是，它們可以減少電動(dòng)汽車在行駛相同距離時(shí)所需的能量，也可以增加續(xù)航里程。
在這個(gè)為期三年的項(xiàng)目中，該研究團(tuán)隊(duì)成功地將商用鋰離子電池集成到一個(gè)增壓罩中，增壓罩是一種被動(dòng)組件，用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口。不過，這種電池并不是汽車的主電池組，而是一個(gè)較小的輔電池，可在發(fā)動(dòng)機(jī)等紅燈熄火時(shí)為空調(diào)、音響和燈光提供電力。這是第一次將結(jié)構(gòu)電池集成到車身的概念證明，基本上是特斯拉正在努力方向的一個(gè)小規(guī)模的現(xiàn)實(shí)版。 但是，把一堆傳統(tǒng)的鋰離子電池嵌在車體中，不如讓車體充當(dāng)自己的電池有效率。在項(xiàng)目協(xié)作期間，這兩位材料學(xué)家還開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器，用作行李箱蓋。超級(jí)電容器類似于電池，但以靜電電荷的形式儲(chǔ)存能量，而不是通過化學(xué)反應(yīng)。
更關(guān)鍵的時(shí)，阿斯普和格林哈爾希團(tuán)隊(duì)的技術(shù)如今已取得突破性進(jìn)展。就在今年夏天，他們和一組歐洲研究人員完成了一個(gè)為期三年的名為“魔術(shù)師”的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)用于商用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)鋰離子電池。航空可以說是結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能的殺手級(jí)應(yīng)用。商用飛機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的排放，但電動(dòng)化客機(jī)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過程中需要太多的能源支撐。就一架典型的150人飛機(jī)而言，完成一項(xiàng)飛行任務(wù)相當(dāng)于每人需要大約1噸的電池。如果試圖用現(xiàn)有電池為飛機(jī)充電，這架飛機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法離開地面。
空客等老牌航空公司和Zunum這樣的初創(chuàng)公司多年來(lái)一直致力于客機(jī)的電動(dòng)化。但即使他們成功了，在飛機(jī)上裝滿常規(guī)電池也有一些重大的安全隱患。大型電池組短路可能導(dǎo)致災(zāi)難性的火災(zāi)或爆炸。然而，格林哈爾希指出，新興的電池化學(xué)，包括固體電解質(zhì)，可以降低風(fēng)險(xiǎn)，但滿足客機(jī)的巨大能源需求仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，可以用結(jié)構(gòu)電池來(lái)解決。該研究團(tuán)隊(duì)用碳纖維薄層制造結(jié)構(gòu)電池，這種電池可以用來(lái)制造飛機(jī)機(jī)艙或機(jī)翼的部件。與十年前的儲(chǔ)能計(jì)劃相比，“魔術(shù)師”團(tuán)隊(duì)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)電池在機(jī)械性能和能量密度方面有了顯著提高。他們現(xiàn)在制造的材料在能量?jī)?chǔ)存能力和機(jī)械性能方面已經(jīng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的20%-30%，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
然而，技術(shù)挑戰(zhàn)還只是結(jié)構(gòu)性電池走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界的一項(xiàng)挑戰(zhàn)，它們還需要獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。這兩位材料學(xué)家正在為此建立數(shù)學(xué)模型，精確地顯示由這些電池制造的汽車在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化。阿斯普表示，由于結(jié)構(gòu)電池的巨大電力需求和監(jiān)管挑戰(zhàn)，可能還需要十多年的時(shí)間才能在車輛上部署。但在這之前，它們將率先在消費(fèi)電子產(chǎn)品中普及開來(lái)。