具有高抗拉強度的碳纖維EV鋰電池材料

日前，有消息稱(chēng)來(lái)自瑞典的研究人員正在探索研制可用于電動(dòng)汽車(chē)的碳纖維鋰電池電極材料，該材料具有非常高的抗拉強度。該碳纖維鋰電池電極材料將被用于電動(dòng)汽車(chē)的多功能鋰離子結構電池。其中，多功能鋰離子結構電池能夠將電池儲能物質(zhì)集成到汽車(chē)車(chē)身中。由于碳纖維材料具有非常高的抗拉強度和極限拉伸強度(ultimate tensile strength，UTS)，并且其還具有非常強的鋰離子集成能力。因此，碳纖維材料常被用作鋰離子電池中的結構電極。

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(chē)碳纖維鋰電池結構電極材料研發(fā)項目主要研究目的是為了提升電池的機械特性，實(shí)現電池不僅可以存儲能量而且還可以被設計集成為結構的一部分等功能。Mats Johansson還舉例子道，通過(guò)利用以上電動(dòng)汽車(chē)碳纖維鋰電池結構電極材料可以將汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機蓋設計為電池的一部分。以上多功能鋰離子結構汽車(chē)電池目前已經(jīng)吸引了眾多的項目研究，其中包括：

來(lái)自英國倫敦帝國學(xué)院的研究人員和沃爾沃汽車(chē)技術(shù)研究人員組成了一支研究團隊。該研究團隊的研究目的是為了研發(fā)一種多功能鋰離子結構汽車(chē)電池原型，該電池采用的是碳纖維材料和聚合物樹(shù)脂，這樣一來(lái)該電池不僅可以存儲、釋放電能，而且其結構強度高且重量輕，因此又可以用來(lái)設計制造集成到汽車(chē)零部件中。該研究項目總經(jīng)費為340萬(wàn)歐元(約合470萬(wàn)美元)。項目研發(fā)人員計劃利用復合材料替換掉備胎艙中的金屬底板。沃爾沃汽車(chē)公司目前正在努力研究設計將該備胎艙復合材料應用到原型車(chē)中以進(jìn)行試驗研究。

沃爾沃汽車(chē)研究小組已經(jīng)研發(fā)出了兩種多功能復合材料組件并進(jìn)行了實(shí)驗研究，這為以上技術(shù)的后續研究打下了基礎。其中，已經(jīng)研發(fā)出的兩種多功能復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(chē)型中進(jìn)行了實(shí)車(chē)實(shí)驗。

RANGE研究計劃

美國高級項目研究所能源所(Advanced Research Projects Agency - Energy，ARPA-E)推出了名為RANGE的研究計劃，該計劃的目的是為了推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)儲能介質(zhì)革命性進(jìn)步。在2013年，美國高級項目研究所能源所分別向四個(gè)不同的研究項目授予了總額高達875萬(wàn)美元的項目獎金。以上四個(gè)研究項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)導完成。其中，以上四個(gè)研究項目的研究目的均為研發(fā)多功能結構汽車(chē)用電池。

英國倫敦帝國學(xué)院研發(fā)項目協(xié)調人Emile Greenhalgh表示，以上多功能結構電池復合材料不僅可以存儲并釋放電能，與此同時(shí)還可以承載機械載荷。其所具備的特性在2005年被來(lái)自美國陸軍研究實(shí)驗室的研究人員正式實(shí)驗證實(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)電材料和儲能材料的三個(gè)應用實(shí)例：鋰離子結構電池、質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)燃料結構電池和結構電容器。文章研究人員表示，以上新型的技術(shù)應用都經(jīng)過(guò)了精心的設計，其中采用的應用材料不僅可以存儲釋放電能，而且還可以承載結構負載。因此才實(shí)現了多功能設計目的并大幅降低了整體的重量。

對于此技術(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(chē)輛工程教授Dan Zenkert。此外，參與該項研究計劃的還包括瑞典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(chē)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)于結構電池方面的)表示，碳纖維材料應用到汽車(chē)中主要有兩種功能體現，其一就是作為汽車(chē)車(chē)身的輕質(zhì)復合型加強材料;另一主要應用就是作為汽車(chē)鋰離子電池的電極。

Eric Jacques表示：“我們對碳纖維鋰電池電極材料研究的主要目的是為了開(kāi)發(fā)一種不僅可以具有輕質(zhì)材料特性同時(shí)又可以承受機械載荷另外又可以?xún)Υ骐娔艿亩喙δ芙Y構電池。這樣一來(lái)就可以大幅降低電動(dòng)汽車(chē)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)后均能夠達到100毫安時(shí)/克甚至更高。其中，影響鋰離子電池測量電容量的主要因素為鋰離子電池的鋰化率。經(jīng)試驗發(fā)現，降低通過(guò)所有實(shí)驗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(guò)以上實(shí)驗測量研究，Eric Jacques研究團隊總結道碳纖維材料在結構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度、極限抗拉強度之間的關(guān)系。該論文主要研究結論還包括：

鋰離子電池在經(jīng)過(guò)幾次電化學(xué)充放電循環(huán)后，電池中碳纖維材料的強度并未出現減弱現象，并且電池的測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度會(huì )在電池使用過(guò)程有所降低，但是其會(huì )在電池脫鋰過(guò)程中部分恢復，并在電池達到最大測量電容量時(shí)達到最高。但是，在電池完全充電情況下其極限抗拉強度仍低于其自身強度的40%。

電池中鋰化碳纖維材料的極限抗拉強度降低的可逆性與電池碳化率和測量電容量的關(guān)系表明，電池在使用過(guò)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(guò)程中可能會(huì )發(fā)生不可逆反應。然而，電池中鋰化碳纖維材料極限抗拉強度的降低與電池測量電容量并不呈線(xiàn)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變要小于碳纖維材料的縱向膨脹。