碳纤维车身电池.docx

碳纤维车身电池复材的结构功能一体化方案锂离子电池组的重量是电动汽车技术的主要挑战之一纯电动汽 车要想有长续航，就需要更大的电池组但是更大的电池组带来了更 大的重量，更大的重量就会造成汽车耗电量的增加所以如果一味地 增大电池，那么对于纯电动汽车来说也是一个恶性循环，甚至适得其 反所以现在纯电动汽车都在找一个续航和重量之间的平衡但是如 果有一种电池技术可以集成到汽车的结构元件中，从而根本不增加汽 车的重量，让整辆车身直接变身成一颗大电池这是不是一种革命性 的技术呢？透过碳纤维的导电特性，能让未来电动车不再需要使用沉 甸甸的锂电池瑞典哥德堡查默斯理工大学和 KTH 皇家理工学院的科 学家们似乎已经找到了他们称之为“无质量储能”的答案瑞典的想 法可以追溯到I960年代的大奖赛赛车BRM和路特斯率先将发动机 和变速箱作为底盘的结构元件，减轻了传统空间框架的重量如果将 锂离子电池集成到碳纤维复合材料中，制造一种可用于汽车的结构材 料，那么不但节省了电池的空间，而且也降低了质量图注：传统的纯电动汽车需要装载一个巨大的电池包现有的锂离子电池具有碳阳极和金属氧化物阳极当锂离子在充电和放电过程中穿过电解液时，两者都可以吸收锂离子。

2007 年启动的瑞典研究项目提出了一种使用碳纤维形成阳极的方法，阳极由磷酸 铁涂层铝箔制成，阳极由电解质混合物中的玻璃纤维织物隔开新概 念用碳纤维代替阳极电极的箔片，并将其与更薄的隔板相结合，创造 出一种坚固的储能材料，它具有铝的刚度但更轻早期的研究集中在 碳纤维的微观结构上科学家们发现，晶体小的纤维比晶体大的纤维 强度低，但具有良好的电化学性能，使其适用于阳极和阴极材料结 构碳纤维市场更侧重于高档飞机级材料，但强度略有下降对于汽车使 用来说不是问题图注：把电池融入到车身结构件中，大大降低重量尽管前景广阔，但这种新材料的能量密度不如传统电池第一阶 段版本的能量密度为24Wh/kg （或全电池组为40 Wh/kg ），仅为现 在一些纯电动汽车 64kWh 电池能量密度的 17%但是单来的好处是使汽车的重量减少约 460 公斤，这可能会对续航里程和性能产生巨大 而有益的影响 那么问题就在于有多少这种材料可以融入汽车的结构 中，以及如何在减轻重量和降低能量密度之间取得平衡参与该项目 的人员希望带有碳纤维阳极和阴极的两级版本的能量密度可以达到每 公斤 75 瓦时 瑞典查尔姆斯理工大学的科研人员近期公布了一项 关于碳纤维微观结构如何影响其电化学特性的研究，其结果表明，碳 纤维可以用作高容量锂离子电池的负极，在承载的同时直接储存能量， 这为可承力结构电池的研制提供了可能。

with cathcdafibreglass： IsyerPolymer with carbon fibreSTRUCTURAL BATTERYio ■ ■研究人员研究了不同类型市售碳纤维的微观结构，发现微小且取 向不良晶体的碳纤维具有良好的电化学性能，但刚度太低，而具有较 大而高取向晶体的碳纤维刚度高，但电化学性能又太低为了进一步 理解碳纤维微结构与锂离子插入机制和电化学容量间的关系，研究人 员通过扫描电子显微镜（SEM）、高分辨投射电子显微镜（HR-TEM） 以及电化学方法对多种不同类型的中、高模量聚丙烯腈基碳纤维的明 显微观结构差异进行了详细表征，并通过每种碳纤维的原位共聚焦拉 曼光谱对充放电期间锂离子的嵌入机理进行了研究拉曼 G 带分析显 示，高模量碳纤维中的锂离子嵌入机制与结晶石墨中的类似，其相对 较低的电化学容量（约150mAh/g ）是由于阻塞性乱层无序使分阶段 结构的形成受挫相反，具有更高电化学容量（约300mAh/g ）的中 等模量碳纤维的锂离子插入机制则更接近部分无序碳因此，通过定 制石墨序列和微晶尺寸可以改进多功能碳纤维的性能当然实际应用方面，还是有一些难以避免的妥协。

比如这种新型 电池的能量密度仅为24 Wh/kg，约为当前锂离子电池的20%另一 方面，如果用这种电池取代经典的锂离子电池、并将之集成到电动汽 车中，则整车重量有望极大地减轻如此一来，只需消耗更少的能量， 便可驱动电动汽车的行进项目负责人 Leif Asp 表示：先前制造的结 构电池，通常只侧重于良好的机械性能、或出色的电气性能不过他 们使用碳纤维成功地设计了兼具结构刚性和储能优势的新型电池在 性能提升 10倍后，研究团队开始将精力放到其它新目标上，比如计划 使用碳纤维代替正极中的铝材料，以进一步提升能量和机械性能此 外用更薄的材料取代玻璃纤维织物，以实现更快的充电NcfiKMlh c r-lcrl raiirStiver cmtaziiY-e paini「/OF'ArWhnlnwn) wpa ra I'M□Ihss 6bir ill™- iqwralw !~~Z■- -7 Z-* rcollrclorStep Batten CDnipontnirsSrpnrat-trLFF 业口血k (ILFF pwlidkiL nnJ tmdOpliwB ■sdditTvrs ydhrmJ IAJ-fell■ ■ I"《L上、VMTTVnl roUcclM-electrodeIn at™ moYETitforcurMiz结构电池复合材料的制造Leif Asp 预计，此类电池有望达成 75 Wh/kg 的能量密度和 75 GPa 的刚度（与铝材相当），但重量却要轻得多。

从电动汽车到消费 电子产品，未来的潜力更是不可估量。