结构电池将储能与轻量化设计相结合，使电动汽车能够行驶得更远，设备变得更薄、更轻。（图片来源：查尔姆斯理工大学）
减轻汽车、飞机和小工具的重量可以提高它们使用能源的效率。传统的锂离子电池虽然功能强大，但已经达到了天花板。它们的设计限制了在不增加体积的情况下可以装入多少能量。这使得在电动运输或紧凑型设备方面实现下一个重大飞跃变得困难。
这就是结构电池的用武之地。这些突破性的材料不仅可以储存能量，还可以支撑设备的重量。通过将电池动力与结构强度相结合，研究人员正在将材料科学推向一个大胆的新方向。
结构电池的概念
与藏在隔间中的普通电池不同，结构电池是框架的一部分。它们直接内置在设备或车辆的主体中。这种设计消除了对单独能源和支持系统的需求，从而减轻了整体重量并提高了性能。
以电动汽车的车顶为例。将其换成结构电池可以将车辆的重量减轻多达 20%。节省的重量可用于添加更多电池，在不增加尺寸的情况下延长汽车的续航里程和效率。
同样的想法可以改变我们使用个人电子产品的方式。结构电池可以将笔记本电脑的重量减轻一半，或者使智能手机几乎薄如纸。使用这些电池的电动汽车的行驶里程可能会增加多达 70%。
“它就像一具人类骨骼，”瑞典查尔姆斯理工大学的研究员 Richa Chaudhary 说。“它承载负载，但也执行其他重要功能。”这种多功能设计可能会改变我们对几乎每台机器的功率和结构的看法。
推动创新的材料
结构电池依赖于中等模量聚丙烯腈基碳纤维 （PAN-CF） 等先进材料。这些纤维在机械强度和电化学性能之间取得了最佳平衡，使它们能够同时充当电极和增强结构。
最近的研究表明，当使用电泳沉积在碳纤维上涂覆磷酸铁锂（LiFePO₄ 或 LFP）时，结果很有希望。然而，初步测试表明，由于 LFP 和碳纤维之间的粘合较弱，在 100 次循环后容量保持率很差，为 47%。
由于 LFP 纳米颗粒在重复充电循环中从碳纤维上分离，性能会降低。通过在设计中加入还原氧化石墨烯 （rGO），研究人员提高了附着力，并在 2C 速率下实现了 72 mAh g⁻¹ 的比容量，尽管这仍然低于理论潜力。
进一步的创新包括使用碳纤维作为阳极，并将它们与涂有 LFP 的铝箔相结合作为阴极。测试各种隔膜表明，较薄的材料降低了内阻，从而提高了能量密度。例如，Whatman GF 平纹分离器的性能优于较厚的替代品，能量密度从 12 Wh/kg 增加到 24 Wh/kg。
查尔姆斯理工大学一直处于结构电池研究的前沿。它的开创性工作始于 2018 年，展示了坚硬的碳纤维储存电能的能力。
最近的突破是创造了一种碳纤维复合电池，其能量密度为 30 Wh/kg，弹性模量为 70 GPa，与铝的刚度相当，但重量只是铝的一小部分。
正如研究负责人 Leif Asp 所指出的那样，“如果我们要节约能源并考虑子孙后代，那么投资轻型和节能汽车是理所当然的。凭借这些进步，结构电池可以使电动汽车的能源效率提高 70%，同时满足严格的安全标准。
迈向商业化
从实验室到市场的旅程充满挑战，但前景越来越广阔。Chalmers 团队成立了 Sinonus AB 以加速商业化。便携式电子产品中的应用，如信用卡薄型智能手机或超轻笔记本电脑，可能首先受益。从长远来看，这项技术可能会彻底改变航空航天和汽车行业。
然而，重大的工程障碍仍然存在。例如，从液体电解质过渡到半固体电解质对于实现更高的功率密度和提高安全性至关重要。半固态电解质可降低火灾风险，这是商业采用的一个重要因素。
结构电池具有多种环境效益。这些电池无需使用铝制或铜制的重型集电器，从而减少了材料使用量。此外，它们的设计避免了钴等经常与传统锂离子电池相关的冲突金属。
将碳纤维集成到两个电极中简化了整体结构，进一步减轻了重量。在阳极中，纤维充当增强材料、集流器和活性材料。在阴极中，它们支持锂沉积，消除了不必要的组件并简化了生产。
挑战和未来方向
尽管取得了重大进展，但挑战仍然存在。液体电解质目前在研究中占主导地位，限制了结构电池的全部潜力。此外，仅使用碳纤维作为负极或依赖商用 LFP 箔作为正极会限制创新。
为了解决这些限制，Chalmers 研究人员最近展示了一种全碳纤维结构电池，使用原始碳纤维作为阳极，LFP 涂层纤维作为阴极。该设计嵌入在双相固液电解质系统中，实现了 33.4 Wh/kg 的能量密度，具有令人印象深刻的 38 GPa 杨氏模量。
制造技术的改进进一步将能量密度提高到 42 Wh/kg，同时保持机械坚固性。这些进步突显了结构电池无缝集成到汽车、飞机和无人机等大规模工业应用的潜力。
全球对结构电池的兴趣正在增长，尤其是在汽车和航空航天领域。这些行业将从更轻、更节能的设计中受益最大。然而，需要对研究和制造进行大量投资，以满足这些行业的能源需求。
正如 Asp 教授所指出的，“可以想象，像信用卡一样薄的手机或笔记本电脑的重量只有现在的一半，这是最接近时间的。随着结构电池准备打破现状，多功能材料驱动我们的车辆、为我们的小工具提供动力并减少对环境影响的梦想可能很快就会成为现实。
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