未来的电池是无重量的、看不见的

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，很快，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(Imperial College London)材料科学家、皇家工程院新兴技术讲座教授埃米尔·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。

在为期三年的项目中，存储团队成功集成了Comme

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。

超级电容器的能量不像电池那样多，但它们在快速释放少量电荷方面非常出色。格林哈格说，它们也更容易使用，是用电池完成同样任务的必要垫脚石。沃尔沃证明了结构性储能在电动汽车中是可行的，而Storage项目的成功也引发了人们对结构性电池的大量炒作。但是，尽管有这种热情，它花了几年时间从欧盟委员会获得更多资金，将这项技术推向下一个水平。格林哈尔在谈到融资困难时说：“这是一项极具挑战性的技术，即使投入几百万英镑，也解决不了这一问题。”“我们得到了更多的资金，现在真的开始像滚雪球一样滚雪球了。”

今年夏天，Asp、Greenhalgh和一组欧洲研究人员完成了一个为期三年的研究项目，名为Magcerer，目标是开发用于商用飞机的结构性锂离子电池。航空可以说是结构性储能的杀手级应用。商用飞机产生大量废气，但让客机通电是一个重大挑战，因为它们需要如此多的能源。喷气燃料对环境很糟糕，但它的能量密度大约是最先进的商业锂离子电池的30倍。在一架典型的150人的飞机上，这意味着每个人需要大约1吨电池。如果你试图用现有的电池给这架喷气式飞机充电，飞机将永远不会升空。

空中客车(Airbus)等老牌航空公司和祖纳姆(Zunum)等初创公司多年来一直致力于客机电气化。但即使他们成功了，将一架满载传统电池的飞机打包也存在一些重大的安全风险。大型电池组短路可能导致灾难性的火灾或爆炸。格林哈尔说：“航空航天行业非常保守，他们对用这些真正的高功率电池包装飞机感到紧张。”新兴的电池化学，包括固体电解液，可能会降低风险，但满足客机的巨大能源需求仍然是一个主要挑战，可以用结构性电池来解决。

作为魔法师项目的一部分，Asp和他的同事们创造了由薄层碳纤维制成的结构电池，可以想象这种电池可以用来建造飞机机舱或机翼的部件。与十年前他们在存储计划期间生产的电池相比，Magcerer团队开发的实验电池的机械性能和能量密度都有了显著的提高。Asp说：“现在我们可以制造出储能能力和机械能力都至少达到我们想要取代的系统的20%到30%的材料。”“这是一个巨大的进步。”

但是，在将结构性电池从实验室带到现实世界中时，技术挑战只是战斗的一半。汽车和航空行业都受到严格监管，制造商的利润往往微薄。这意味着，将新材料引入汽车和飞机，需要向监管机构证明它们的安全性，并向制造商证明它们的优越性能。

当结构电池充放电时，锂离子穿梭在碳纤维阴极中，这改变了它们的形状和机械性能。对于制造商和监管机构来说，能够准确预测这些结构性电池在使用时会有什么反应，以及这会如何影响它们所驱动的车辆的性能，这一点很重要。为此，Greenhalgh和Asp正在建立数学模型，这些模型将准确地显示由这些电池制造的车辆在使用过程中结构是如何变化的。ASP表示，由于结构性电池的巨大电力需求和监管挑战，可能需要十多年的时间才能在车辆上部署。他预测，在此之前，它们将在消费电子产品中变得司空见惯。

西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)电池与材料系统组首席科学家兼经理肖杰(音译)对此表示赞同。她认为微电子学是一个特别有前途但经常被忽视的应用领域。这些是设备

“结构电池对微电子非常有帮助，因为体积非常有限，”肖说。虽然可以将传统电池缩小到一粒米大小，但这些电池在微电子领域仍然占据着宝贵的空间。但结构性电池并不比设备本身占用更多的空间。在PNNL，肖和她的同事们研究了微电池设计的一些基本问题，比如当结构电池弯曲或扭曲时，如何保持电极之间的对准。“从设计的角度来看，正负极相对是非常重要的，”肖说。“因此，即使我们可以利用空隙，如果这些电极不对齐，它们也不会参与化学反应。”因此，这限制了不规则形状结构电池的设计。“。

肖和她的团队已经致力于微结构电池的几个利基科学应用，比如鲑鱼和蝙蝠的可注射跟踪标签。但她说，他们还需要一段时间才能找到像假肢电子皮肤这样的新兴技术的主流应用。然而，与此同时，结构性电池对能源需求旺盛的机器人来说可能是一件好事。在密歇根大学(University Of Michigan)安娜堡校区的一个实验室里，化学家兼化学工程师尼古拉斯·科托夫(Nicholas Kotov)监督着他与研究生共同开发的小型仿生机器人。科托夫说：“生物体将能量储存分布在全身，因此它们具有双重或三重功能。”“胖子就是一个很好的例子。它有大量的能量储存。问题是：我们如何复制它？“。

该团队的目标是创造模仿动物的机器，因此他们需要一种能与机器人骨骼相结合的能源，就像我们的脂肪和肌肉折边一样。他们的一些最新发明包括机器蝎子、蜘蛛、蚂蚁和在地板上跳跃的毛毛虫。所有这些都是由一个独特的结构电池与它们的移动部件集成在一起提供动力的。电池就像一个银壳一样放在机器人的背部，它既为机器人的机械内脏提供能量，又保护了机器人的机械内脏。这是在从自然中寻找线索来改善不自然的现象。

与Asp和Greenhalgh正在开发的碳纤维和锂离子电池不同，科托夫和他的学生为他们的机器人创造了一种锌空气结构电池。这种电池化学比传统的锂离子电池能储存更多的能量。它由锌阳极、碳布阴极和由聚合物纳米纤维制成的半刚性电解液组成，这种聚合物纳米纤维是通过纳米工程来模仿软骨的。这类电池的能量载体是氢氧化物离子，当空气中的氧气与锌相互作用时会产生氢氧化物离子。

虽然车辆的结构电池非常坚硬，但科托夫的团队开发的电池应该是柔韧的，可以应对机器人的移动。它们的能量密度也高得令人难以置信。正如科托夫和他的团队在今年早些时候发表的一篇论文中详细描述的那样，他们的结构性电池的能量容量是相同体积的传统锂离子电池的72倍。目前，他们的电池被用来为机器人玩具和小型无人机提供动力，作为概念的证明。但科托夫表示，他预计在不远的将来，它们将被用于中型机器人以及更大规模的业余爱好无人机。科托夫说：“无人机和中型机器人需要有新的能量储存解决方案。”“我可以向你保证，结构性电池将是其中的一部分。”

电池一直是一个附录，一个限制因素，一个寄生虫。今天，它正在消失在我们的眼前，融入我们这个电气化世界的结构中。未来，一切都将是电池，独立的储能装置看起来就像座机电话和便携式CD播放机一样古色古香。这是一种消失的行为，值得一位伟大的魔术师去做：现在你看到了，很快你就看不到了。

更新时间11-8-20，美国东部时间下午4：20：Emile Greenhalgh是皇家工程院新兴技术教授。

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