車身儲能設計

　　北京時間11月9日消息，據國外媒體報道，埃隆·馬斯克今年9月在特斯拉的“電池日”活動上宣布，該公司將很快推出一款使用純硅陽極電池的汽車，以提高電池的性能，并減少陰極中的鈷含量，以降低汽車價格。這種電池組將被整合到底盤上，以便在提供動力的同時提供機械支持。馬斯克稱稱贊特斯拉的結構電池是工程領域的一場“革命”。然而但對于一些電池研究人員來說，馬斯克的未來展望不過是他們曾經努力的范疇，而現(xiàn)在，他們已超越這一領域，正在開發(fā)一種結構性電池。這種結構性電池在未來有可能會淘汰現(xiàn)有電池組，用車身來儲能。

　　倫敦帝國理工學院的材料學家兼皇家學院新興技術工程系主任埃米爾·格林哈爾希（Emile Greenhalgh）在評價特斯拉最新電池時表示，這不過是他們10年前已經做過的事情。格林哈爾希是結構電池領域的世界頂級專家之一，結構電池是一種消除電池與被供能物體之間邊界的儲能方法。格林哈爾希直言，“我們目前開發(fā)的項目已經超出了埃隆·馬斯克討論的范疇，不需要嵌入式電池，材料本身就是能量儲存裝置。”

　　電池如今在大部分電子產品的體積和重量中占據了相當大的一部分。智能手機最大的零部件無疑就是鋰離子電池、無人機的大小也受到其攜帶電池的限制，而一輛電動汽車大約三分之一的重量是電池組。解決這個問題的一種方法是在汽車本身的結構中加入傳統(tǒng)的電池，把電池組整合到地盤中，就像特斯拉計劃做的那樣。但是對于格林哈爾希和他的合作者來說，更有前途的方法是淘汰電池組，轉而使用汽車的車身來存儲能量。與傳統(tǒng)的嵌入底盤的電池組不同，這些結構電池是隱形的。電能儲存發(fā)生在構成車架的薄層復合材料中。在某種意義上，電池不會增加任何重量，因為車身就是電池。

　　對此，格林哈爾希解釋，這是設計是讓材料同時具備兩種功能。這種考慮電動汽車設計的新方法可以提供巨大的性能收益并提高安全性，因為汽車里不會裝上成千上萬個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材料學家萊夫·阿斯普（Leif Asp）和一個歐洲科學家團隊合作開發(fā)儲能項目。阿斯普在過去的十年中一直處于結構電池研究的前沿，他將傳統(tǒng)電池定性為“結構寄生蟲”，并指出結構電池的主要好處是，它們可以減少電動汽車在行駛相同距離時所需的能量，也可以增加續(xù)航里程。

　　在這個為期三年的項目中，該研究團隊成功地將商用鋰離子電池集成到一個增壓罩中，增壓罩是一種被動組件，用于調節(jié)發(fā)動機的進氣口。不過，這種電池并不是汽車的主電池組，而是一個較小的輔電池，可在發(fā)動機等紅燈熄火時為空調、音響和燈光提供電力。這是第一次將結構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小規(guī)模的現(xiàn)實版。 但是，把一堆傳統(tǒng)的鋰離子電池嵌在車體中，不如讓車體充當自己的電池有效率。在項目協(xié)作期間，這兩位材料學家還開發(fā)了一種結構超級電容器，用作行李箱蓋。超級電容器類似于電池，但以靜電電荷的形式儲存能量，而不是通過化學反應。

　　更關鍵的時，阿斯普和格林哈爾希團隊的技術如今已取得突破性進展。就在今年夏天，他們和一組歐洲研究人員完成了一個為期三年的名為“魔術師”的研究項目，該項目的目標是開發(fā)用于商用飛機的結構鋰離子電池。航空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，但電動化客機是一個重大挑戰(zhàn)，因為它們在運行過程中需要太多的能源支撐。就一架典型的150人飛機而言，完成一項飛行任務相當于每人需要大約1噸的電池。如果試圖用現(xiàn)有電池為飛機充電，這架飛機永遠無法離開地面。

　　空客等老牌航空公司和Zunum這樣的初創(chuàng)公司多年來一直致力于客機的電動化。但即使他們成功了，在飛機上裝滿常規(guī)電池也有一些重大的安全隱患。大型電池組短路可能導致災難性的火災或爆炸。然而，格林哈爾希指出，新興的電池化學，包括固體電解質，可以降低風險，但滿足客機的巨大能源需求仍然是一個重大挑戰(zhàn)，可以用結構電池來解決。該研究團隊用碳纖維薄層制造結構電池，這種電池可以用來制造飛機機艙或機翼的部件。與十年前的儲能計劃相比，“魔術師”團隊開發(fā)的實驗電池在機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儲存能力和機械性能方面已經能夠達到設計目標的20%-30%，這是一個巨大的進步。

　　然而，技術挑戰(zhàn)還只是結構性電池走出實驗室，進入現(xiàn)實世界的一項挑戰(zhàn)，它們還需要獲得監(jiān)管機構的認可。這兩位材料學家正在為此建立數(shù)學模型，精確地顯示由這些電池制造的汽車在使用過程中的結構變化。阿斯普表示，由于結構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間才能在車輛上部署。但在這之前，它們將率先在消費電子產品中普及開來。