徹底消除里程焦慮，電動(dòng)汽車(chē)本身就是電池，超級(jí)電容器會(huì)是下一代儲(chǔ)能技術(shù)嗎

（圖片來(lái)源：Flickr）

近年來(lái)，隨著全球能源儲(chǔ)量逐漸微縮以及全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，新能源汽車(chē)越來(lái)越受到公眾的關(guān)注，甚至一些國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)制定計(jì)劃在未來(lái)完全取消燃油汽車(chē)的銷(xiāo)售。而電動(dòng)汽車(chē)則成了新能源汽車(chē)中最具實(shí)用價(jià)值的一類(lèi)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。

文 | 梅林

視覺(jué)設(shè)計(jì) | 夏夢(mèng)

我們都知道，電動(dòng)車(chē)需要需要接通電源充電，而尋找充電樁在當(dāng)下卻成了限制電動(dòng)汽車(chē)使用的一個(gè)主要因素 —— 曾經(jīng)駕駛過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的朋友應(yīng)該都有過(guò)“到處尋找充電樁而不得”的煩惱吧。另一個(gè)限制電動(dòng)汽車(chē)使用的因素就是它的續(xù)航能力，同燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)由于電池電量的限制，充滿(mǎn)一次電的續(xù)航里程有限。沒(méi)電了就得再次充電，這不又回到“尋找充電樁”的問(wèn)題了。

因此，很多科學(xué)家都在嘗試尋找新的供電方式 —— 既能保證供電，又能提升電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，還便于使用。

另辟蹊徑：超級(jí)電容器替代電池

也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提升電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性，電池是關(guān)鍵。科學(xué)家為此也大都把關(guān)注的焦點(diǎn)聚焦在電池上。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)電池都位于車(chē)輛的地盤(pán)上，由于底盤(pán)空間有限，所以安置電池的數(shù)量也有限，影響了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。

電動(dòng)汽車(chē)的底盤(pán)處配置了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等部分，僅夠安置少數(shù)幾塊電池。（圖片來(lái)源：Tennen-Gas）

一些科學(xué)家決定另辟蹊徑 —— 他們?cè)O(shè)想用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器（簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)構(gòu)電容）取代電池為電動(dòng)汽車(chē)供電。同電池相比，超級(jí)電容器具有充放電速率高的特點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)電容是一種集承載和儲(chǔ)能于一體的元件。換句話(huà)說(shuō)，這種元件既能用于制作電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)體，承載車(chē)體和各種部件的重量，又能用來(lái)儲(chǔ)存電能，為電動(dòng)汽車(chē)供電。目前，多數(shù)研究都僅限于理論，很少有做出實(shí)際元件的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，科學(xué)家此前設(shè)計(jì)的這些結(jié)構(gòu)電容無(wú)論在力學(xué)強(qiáng)度上，還是在電化學(xué)性能上，都表現(xiàn)得很差，完全不能滿(mǎn)足為電動(dòng)汽車(chē)供電的需要。

這是不是說(shuō)，這種新路徑走不通，連試驗(yàn)都通過(guò)不了？其實(shí)也不必如此悲觀。香港理工大學(xué)和南方科技大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)找到了解決問(wèn)題的方案。

此前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)電容之所以表現(xiàn)差，是因?yàn)橹谱鹘Y(jié)構(gòu)電容的材料的力學(xué)性能和離子導(dǎo)電率不能滿(mǎn)足需要。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新式結(jié)構(gòu)：采用離子導(dǎo)電率較高的凝膠電解質(zhì)，并用經(jīng)特殊處理的碳布（一種碳纖維織物）充電電極，制成結(jié)構(gòu)電容的柔性?xún)?chǔ)能器件；然后同環(huán)氧樹(shù)脂材料（提供力學(xué)支撐作用）層疊交替放置，待環(huán)氧樹(shù)脂固化，碳纖維結(jié)構(gòu)電容就制成了。

碳纖維結(jié)構(gòu)電容的制備過(guò)程示意圖。（圖片來(lái)源：Elsevier）

為了測(cè)試這種碳纖維結(jié)構(gòu)電容的性能，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)電容做了了力學(xué)-電化學(xué)雙場(chǎng)耦合測(cè)試，即在外力作用下測(cè)試電化學(xué)性能，以探究在外力作用下結(jié)構(gòu)電容電化學(xué)性能的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷下，碳纖維結(jié)構(gòu)電容充放電性能都表現(xiàn)得十分穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足承載與儲(chǔ)能結(jié)合于一體的設(shè)計(jì)需要。

未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)本身就是“電池”？

這項(xiàng)研究還處在實(shí)驗(yàn)室研究和概念設(shè)計(jì)階段，理論要與實(shí)踐相結(jié)合，這樣的基礎(chǔ)研究到底有沒(méi)有實(shí)踐意義呢？其實(shí)，距離這項(xiàng)研究成果指導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造的實(shí)踐還有很長(zhǎng)一段路要走。

而且，如今各種新材料層出不窮，但柔性電解質(zhì)的相關(guān)研究仍有些欠缺，諸如如何平衡力學(xué)強(qiáng)度和離子導(dǎo)電率這樣的問(wèn)題，科學(xué)家還需進(jìn)一步的研究。此外，提升結(jié)構(gòu)電容儲(chǔ)存電能的能力也至關(guān)重要，畢竟它取代的是電池?？偟膩?lái)說(shuō)，這種集承載與儲(chǔ)能于一體的結(jié)構(gòu)電容還是非常有潛力與應(yīng)用前景的。

以碳纖維結(jié)構(gòu)電容為材料制作的電動(dòng)汽車(chē)模型（視頻來(lái)源于該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)）

前面已經(jīng)提過(guò)，結(jié)構(gòu)電容最大的特點(diǎn)就是將承載與儲(chǔ)能結(jié)合于一體，也就是說(shuō)，用這種材料制成的電動(dòng)汽車(chē)自己本身就是“電池”。

未來(lái)，結(jié)構(gòu)電池可用于制備汽車(chē)的底盤(pán)、車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等所有的車(chē)身結(jié)構(gòu)，這樣車(chē)身在保持力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)，也能為電動(dòng)汽車(chē)供電 —— 大大降低了電動(dòng)汽車(chē)的整體重量，并增加了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。

此外，這種結(jié)構(gòu)電容還能應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、飛機(jī)、航天器、軌道交通（比如地鐵）、便攜式電子設(shè)備（比如手機(jī)）和建筑等領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

• https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140222