具有高抗拉強(qiáng)度的碳纖維EV鋰電池材料

日前，有消息稱來(lái)自瑞典的研究人員正在探索研制可用于電動(dòng)汽車的碳纖維鋰電池電極材料，該材料具有非常高的抗拉強(qiáng)度。該碳纖維鋰電池電極材料將被用于電動(dòng)汽車的多功能鋰離子結(jié)構(gòu)電池。其中，多功能鋰離子結(jié)構(gòu)電池能夠?qū)㈦姵貎?chǔ)能物質(zhì)集成到汽車車身中。由于碳纖維材料具有非常高的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度(ultimate tensile strength，UTS)，并且其還具有非常強(qiáng)的鋰離子集成能力。因此，碳纖維材料常被用作鋰離子電池中的結(jié)構(gòu)電極。

來(lái)自瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)的Mats Johansson表示，以上電動(dòng)汽車碳纖維鋰電池結(jié)構(gòu)電極材料研發(fā)項(xiàng)目主要研究目的是為了提升電池的機(jī)械特性，實(shí)現(xiàn)電池不僅可以存儲(chǔ)能量而且還可以被設(shè)計(jì)集成為結(jié)構(gòu)的一部分等功能。Mats Johansson還舉例子道，通過利用以上電動(dòng)汽車碳纖維鋰電池結(jié)構(gòu)電極材料可以將汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋設(shè)計(jì)為電池的一部分。以上多功能鋰離子結(jié)構(gòu)汽車電池目前已經(jīng)吸引了眾多的項(xiàng)目研究，其中包括：

來(lái)自英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的研究人員和沃爾沃汽車技術(shù)研究人員組成了一支研究團(tuán)隊(duì)。該研究團(tuán)隊(duì)的研究目的是為了研發(fā)一種多功能鋰離子結(jié)構(gòu)汽車電池原型，該電池采用的是碳纖維材料和聚合物樹脂，這樣一來(lái)該電池不僅可以存儲(chǔ)、釋放電能，而且其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高且重量輕，因此又可以用來(lái)設(shè)計(jì)制造集成到汽車零部件中。該研究項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)為340萬(wàn)歐元(約合470萬(wàn)美元)。項(xiàng)目研發(fā)人員計(jì)劃利用復(fù)合材料替換掉備胎艙中的金屬底板。沃爾沃汽車公司目前正在努力研究設(shè)計(jì)將該備胎艙復(fù)合材料應(yīng)用到原型車中以進(jìn)行試驗(yàn)研究。

沃爾沃汽車研究小組已經(jīng)研發(fā)出了兩種多功能復(fù)合材料組件并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，這為以上技術(shù)的后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。其中，已經(jīng)研發(fā)出的兩種多功能復(fù)合材料組件分別為后備箱蓋和充氣罩，以上兩種新組件均在沃爾沃S80車型中進(jìn)行了實(shí)車實(shí)驗(yàn)。

RANGE研究計(jì)劃

美國(guó)高級(jí)項(xiàng)目研究所能源所(Advanced Research Projects Agency - Energy，ARPA-E)推出了名為RANGE的研究計(jì)劃，該計(jì)劃的目的是為了推動(dòng)電動(dòng)汽車儲(chǔ)能介質(zhì)革命性進(jìn)步。在2013年，美國(guó)高級(jí)項(xiàng)目研究所能源所分別向四個(gè)不同的研究項(xiàng)目授予了總額高達(dá)875萬(wàn)美元的項(xiàng)目獎(jiǎng)金。以上四個(gè)研究項(xiàng)目分別由斯坦福大學(xué)(Stanford University)、加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)、亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)和賓州州立大學(xué)(Penn State)領(lǐng)導(dǎo)完成。其中，以上四個(gè)研究項(xiàng)目的研究目的均為研發(fā)多功能結(jié)構(gòu)汽車用電池。

英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院研發(fā)項(xiàng)目協(xié)調(diào)人Emile Greenhalgh表示，以上多功能結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料不僅可以存儲(chǔ)并釋放電能，與此同時(shí)還可以承載機(jī)械載荷。其所具備的特性在2005年被來(lái)自美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員正式實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

在2005年的材料研究學(xué)會(huì)討論會(huì)上，一篇技術(shù)文章向人們介紹了多功能發(fā)電材料和儲(chǔ)能材料的三個(gè)應(yīng)用實(shí)例：鋰離子結(jié)構(gòu)電池、質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)燃料結(jié)構(gòu)電池和結(jié)構(gòu)電容器。文章研究人員表示，以上新型的技術(shù)應(yīng)用都經(jīng)過了精心的設(shè)計(jì)，其中采用的應(yīng)用材料不僅可以存儲(chǔ)釋放電能，而且還可以承載結(jié)構(gòu)負(fù)載。因此才實(shí)現(xiàn)了多功能設(shè)計(jì)目的并大幅降低了整體的重量。

對(duì)于此技術(shù)瑞典皇家理工學(xué)院組成了一支研究小組，該研究小組成員由來(lái)自瑞典皇家理工學(xué)院的三名教授組成，其中包括化學(xué)工程教授Göran Lindbergh、光纖和聚合物技術(shù)教授Mats Johansson和航空和車輛工程教授Dan Zenkert。此外，參與該項(xiàng)研究計(jì)劃的還包括瑞典Swerea SICOMP和呂勒奧技術(shù)研究所(Luleå Institute of Technology)。

聚丙烯腈的可逆容量潛力

來(lái)自瑞典皇家理工學(xué)院的汽車和航空航天工程研究員Eric Jacques(其博士論文研究方向就是關(guān)于結(jié)構(gòu)電池方面的)表示，碳纖維材料應(yīng)用到汽車中主要有兩種功能體現(xiàn)，其一就是作為汽車車身的輕質(zhì)復(fù)合型加強(qiáng)材料;另一主要應(yīng)用就是作為汽車鋰離子電池的電極。

Eric Jacques表示：“我們對(duì)碳纖維鋰電池電極材料研究的主要目的是為了開發(fā)一種不僅可以具有輕質(zhì)材料特性同時(shí)又可以承受機(jī)械載荷另外又可以儲(chǔ)存電能的多功能結(jié)構(gòu)電池。這樣一來(lái)就可以大幅降低電動(dòng)汽車的整體重量。”

Eric Jacques和其同事于2013年在電化學(xué)學(xué)會(huì)期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于該碳纖維鋰電池電極材料研究的技術(shù)論文。論文中介紹道，在鋰離子電池鋰化率維持在一定值100毫安/克時(shí)，市場(chǎng)上出售的好幾個(gè)檔次的聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)基碳纖維的可逆電容量在完成十次充放電循環(huán)后均能夠達(dá)到100毫安時(shí)/克甚至更高。其中，影響鋰離子電池測(cè)量電容量的主要因素為鋰離子電池的鋰化率。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降低通過所有實(shí)驗(yàn)碳纖維材料十分之一的電流大小可以使電池電容量提升100%。通過以上實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，Eric Jacques研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)道碳纖維材料在結(jié)構(gòu)電池中不僅可以作為電池陰極材料而且還可以作為電池中的集電極。

Eric Jacques

在今年早些時(shí)候，Eric Jacques和其同事又在Carbon雜志上發(fā)表了一篇文章。文章主要介紹了鋰離子電池中鋰的含量與電池中聚丙烯腈基碳纖維材料抗拉強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。該論文主要研究結(jié)論還包括：

鋰離子電池在經(jīng)過幾次電化學(xué)充放電循環(huán)后，電池中碳纖維材料的強(qiáng)度并未出現(xiàn)減弱現(xiàn)象，并且電池的測(cè)量電容量也未受到影響。

電池中鋰化碳纖維材料的極限抗拉強(qiáng)度會(huì)在電池使用過程有所降低，但是其會(huì)在電池脫鋰過程中部分恢復(fù)，并在電池達(dá)到最大測(cè)量電容量時(shí)達(dá)到最高。但是，在電池完全充電情況下其極限抗拉強(qiáng)度仍低于其自身強(qiáng)度的40%。

電池中鋰化碳纖維材料的極限抗拉強(qiáng)度降低的可逆性與電池碳化率和測(cè)量電容量的關(guān)系表明，電池在使用過程中碳纖維并不會(huì)受到影響，而電池中的鋰在碳纖維脫鋰過程中可能會(huì)發(fā)生不可逆反應(yīng)。然而，電池中鋰化碳纖維材料極限抗拉強(qiáng)度的降低與電池測(cè)量電容量并不呈線性關(guān)系。同時(shí)，在電池完全充電情況下，電池中鋰化碳纖維材料極限抗拉應(yīng)變要小于碳纖維材料的縱向膨脹。[!--empirenews.page--]

以上結(jié)果表面，電池中鋰化碳纖維材料極限抗拉強(qiáng)度的降低可能與電池中缺陷區(qū)域的鋰化程度有關(guān)。其中，電池中缺陷區(qū)域的鋰化程度將直接關(guān)系到電池中碳纖維材料的拉伸破壞模式。

Eric Jacques對(duì)此表示：“對(duì)于以上技術(shù)的研究實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出了非常理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是在我們推出最終的可應(yīng)用電池之前我們還有非常多的工作需要去完成。”