汽车制造商想要丢弃电池组，用车身来储存能量

埃隆·马斯克在去年9月的特斯拉电池日做出了很多承诺。他说，不久之后，该公司将推出一款使用纯硅阳极电池的汽车，以提高其性能，并降低阴极中的钴含量，以降低价格。它的电池组将被整合到底盘中，这样除了提供能量外，它还提供机械支持。马斯克声称，这种设计将使汽车的重量减轻10%，里程提高更多。他称赞特斯拉的结构性电池是工程学上的一场“革命”--但对于一些电池研究人员来说，马斯克的未来看起来与过去非常相似。

伦敦帝国理工学院材料科学家、皇家科学院新兴技术工程学教授埃米尔·格林哈尔(Emile Greenhalgh)表示：“他实际上是在做我们10年前做过的事情。”他是世界领先的结构电池专家之一，这是一种能量储存的方法，可以消除电池和其供电对象之间的边界。格林哈尔说：“我们正在做的事情超出了埃隆·马斯克所说的范围。”“没有内置电池。材料本身就是储能装置。“。

如今，电池在大多数电子产品的尺寸和重量中占据了相当大的比例。智能手机在很大程度上是一个锂离子电池，周围塞满了一些处理器。无人机的大小受到它们可以携带的电池的限制。电动汽车大约三分之一的重量是电池组。解决这个问题的一种方法是像特斯拉计划的那样，在汽车本身的结构中植入传统电池。电池组变成了地板，而不是用汽车的地板来支撑电池组。

但是对于Greenhalgh和他的合作者来说，更有希望的方法是报废电池组，转而使用车身来储存能量。与传统的嵌入在底盘中的电池组不同，这些结构性电池是看不见的。电力储存发生在组成车架的薄层复合材料中。从某种意义上说，它们是失重的，因为汽车就是电池。

格林哈格说：“它让材料同时做两件事。”这种关于电动汽车设计的新思维方式可以提供巨大的性能收益并提高安全性，因为汽车中不会塞入数以千计的高能量、易燃电池。

手机或电动汽车电池组中的锂离子电池有四个主要组件：阴极、阳极、电解液和隔膜。当电池放电时，锂离子通过电解液从负极流向正极，并由可渗透隔膜隔开以防止短路。在传统电池中，这些元件要么像婚礼蛋糕一样堆叠在一起，要么像果冻卷一样相互缠绕，以便将尽可能多的能量装入较小的体积。但在结构电池中，它们必须重新配置，这样电池才能被塑造成不规则的形状，并经受住物理压力。结构电池看起来不像立方体或圆柱体；它看起来像机翼、车身或手机壳。

美国军方在2000年代中期开发的第一批结构性电池使用碳纤维作为电池的电极。碳纤维是一种轻质、超强的材料，经常用于制造飞机和高性能汽车的车身。它还能很好地储存锂离子，这使得它可以很好地替代其他碳基材料，如用作典型锂离子电池阳极的石墨。但在结构电池中，碳纤维中注入了磷酸铁等活性物质，也被用作阴极，因为它需要提供支撑。一层薄薄的编织玻璃将两个电极隔开，这些层悬浮在电解液中，就像电化学果冻中的水果一样。整个套装只有百万分之几米厚，可以裁剪成任何想要的形状。

瑞典查尔默斯理工大学(Chalmers University Of Technology)的材料科学家莱夫·阿斯普(Leif Asp)在过去十年里一直站在结构电池研究的前沿。2010年，Asp、Greenhalgh和一个欧洲科学家团队在Storage项目上进行了合作，该项目旨在制造结构性电池，并将其集成到混合动力沃尔沃的原型中。

“当时，我认为它不会对社会产生太大影响，但随着我们的前进，我突然意识到这可能是一个非常有用的想法，”Asp说，他将传统电池描述为一种“结构寄生虫”。他说，结构电池的主要好处是它们减少了电动汽车行驶相同距离所需的能量-或者它可以增加续航里程。“我们需要把重点放在能源效率上，”Asp说。在一个大部分电力仍然由化石燃料生产的世界里，每一个电子在应对气候变化的斗争中都是至关重要的。

在这个为期三年的项目中，存储团队成功地将商用锂离子电池集成到了真空室盖中，这是一种调节发动机进气口的无源部件。它不是汽车的主电池，而是一个较小的辅助电池，当发动机在红绿灯时暂时关闭时，它为空调、音响和灯光提供电力。这是第一次对结构电池进行概念验证，这种电池被集成到正常工作的汽车车身中，基本上是特斯拉试图实现的目标的小规模版本。

但是，把一堆传统的锂离子电池塞进车身，不如让车身充当自己的电池效率高。在存储合作期间，Asp和Greenhalgh还开发了一种结构超级电容器，用作后备箱盖。超级电容器类似于电池，但它存储的能量是静电电荷，而不是化学反应。为沃尔沃后备箱制造的后备箱由两层碳纤维组成，其中注入了氧化铁和氧化镁，中间隔着一层绝缘层。整个堆叠用层压板包裹，模压成后备箱的形状。