车身储能设计

北京时间11月9日消息，据国外媒体报道，埃隆·马斯克今年9月在特斯拉的“电池日”活动上宣布，该公司将很快推出一款使用纯硅阳极电池的汽车，以提高电池的性能，并减少阴极中的钴含量，以降低汽车价格。这种电池组将被整合到底盘上，以便在提供动力的同时提供机械支持。马斯克称称赞特斯拉的结构电池是工程领域的一场“革命”。然而但对于一些电池研究人员来说，马斯克的未来展望不过是他们曾经努力的范畴，而现在，他们已超越这一领域，正在开发一种结构性电池。这种结构性电池在未来有可能会淘汰现有电池组，用车身来储能。

伦敦帝国理工学院的材料学家兼皇家学院新兴技术工程系主任埃米尔·格林哈尔希（Emile Greenhalgh）在评价特斯拉最新电池时表示，这不过是他们10年前已经做过的事情。格林哈尔希是结构电池领域的世界顶级专家之一，结构电池是一种消除电池与被供能物体之间边界的储能方法。格林哈尔希直言，“我们目前开发的项目已经超出了埃隆·马斯克讨论的范畴，不需要嵌入式电池，材料本身就是能量储存装置。”

电池如今在大部分电子产品的体积和重量中占据了相当大的一部分。智能手机最大的零部件无疑就是锂离子电池、无人机的大小也受到其携带电池的限制，而一辆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在汽车本身的结构中加入传统的电池，把电池组整合到地盘中，就像特斯拉计划做的那样。但是对于格林哈尔希和他的合作者来说，更有前途的方法是淘汰电池组，转而使用汽车的车身来存储能量。与传统的嵌入底盘的电池组不同，这些结构电池是隐形的。电能储存发生在构成车架的薄层复合材料中。在某种意义上，电池不会增加任何重量，因为车身就是电池。

对此，格林哈尔希解释，这是设计是让材料同时具备两种功能。这种考虑电动汽车设计的新方法可以提供巨大的性能收益并提高安全性，因为汽车里不会装上成千上万个能量密集的可燃电池。

2010年，格林哈尔希与瑞典查尔默斯理工大学材料学家莱夫·阿斯普（Leif Asp）和一个欧洲科学家团队合作开发储能项目。阿斯普在过去的十年中一直处于结构电池研究的前沿，他将传统电池定性为“结构寄生虫”，并指出结构电池的主要好处是，它们可以减少电动汽车在行驶相同距离时所需的能量，也可以增加续航里程。

在这个为期三年的项目中，该研究团队成功地将商用锂离子电池集成到一个增压罩中，增压罩是一种被动组件，用于调节发动机的进气口。不过，这种电池并不是汽车的主电池组，而是一个较小的辅电池，可在发动机等红灯熄火时为空调、音响和灯光提供电力。这是第一次将结构电池集成到车身的概念证明，基本上是特斯拉正在努力方向的一个小规模的现实版。 但是，把一堆传统的锂离子电池嵌在车体中，不如让车体充当自己的电池有效率。在项目协作期间，这两位材料学家还开发了一种结构超级电容器，用作行李箱盖。超级电容器类似于电池，但以静电电荷的形式储存能量，而不是通过化学反应。

更关键的时，阿斯普和格林哈尔希团队的技术如今已取得突破性进展。就在今年夏天，他们和一组欧洲研究人员完成了一个为期三年的名为“魔术师”的研究项目，该项目的目标是开发用于商用飞机的结构锂离子电池。航空可以说是结构储能的杀手级应用。商用飞机会产生大量的排放，但电动化客机是一个重大挑战，因为它们在运行过程中需要太多的能源支撑。就一架典型的150人飞机而言，完成一项飞行任务相当于每人需要大约1吨的电池。如果试图用现有电池为飞机充电，这架飞机永远无法离开地面。

空客等老牌航空公司和Zunum这样的初创公司多年来一直致力于客机的电动化。但即使他们成功了，在飞机上装满常规电池也有一些重大的安全隐患。大型电池组短路可能导致灾难性的火灾或爆炸。然而，格林哈尔希指出，新兴的电池化学，包括固体电解质，可以降低风险，但满足客机的巨大能源需求仍然是一个重大挑战，可以用结构电池来解决。该研究团队用碳纤维薄层制造结构电池，这种电池可以用来制造飞机机舱或机翼的部件。与十年前的储能计划相比，“魔术师”团队开发的实验电池在机械性能和能量密度方面有了显著提高。他们现在制造的材料在能量储存能力和机械性能方面已经能够达到设计目标的20%-30%，这是一个巨大的进步。

然而，技术挑战还只是结构性电池走出实验室，进入现实世界的一项挑战，它们还需要获得监管机构的认可。这两位材料学家正在为此建立数学模型，精确地显示由这些电池制造的汽车在使用过程中的结构变化。阿斯普表示，由于结构电池的巨大电力需求和监管挑战，可能还需要十多年的时间才能在车辆上部署。但在这之前，它们将率先在消费电子产品中普及开来。