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多功能碳纤维材料用于车身和电极

2021-08-03 来源:来宾农业机械网

研究人员的主要研究的应用领域是很多运载工具如汽车或飞机,它们车身或机身大部分由结构锂离子电池组成,多功能碳纤维可作为电池电极和承载材料,研究人员制得一种结构锂离子电池,其中负极由碳纤维制成,正极由阴极包覆碳纤维制成。电池充电意味负极充满了带正电的锂离子。

由瑞典Chalmers科技大学领导的一项研究表明,碳纤维可以被用作电池电极,直接储存能量。他们在“Graphitic microstructure and performance of carbon fibre Li-ion structural battery electrodes”中详细阐述了这一研究成果,这为结构电池的发展开辟了新的途径,碳纤维有望成为能源系统的一部分。使用这种多功能材料可以大大减轻飞机的重量,是应对未来的车辆电气化挑战的关键。

客机需要比现在轻得多才能靠电力供电。减轻重量对车辆来说也是非常重要的。因为只有重量减轻后才能延长每次电池充电的驾驶距离。

Chalmers科技大学材料和计算力学教授Leif Asp对开发碳纤维进行了深入研究,目的是要把碳纤维能力开发到极限,使其不仅仅只有增强功能。例如,碳纤维还可以储存能量。

Asp说:“汽车车身不仅仅只是一个承载元件,也可以作为一个电池。还可以将碳纤维用于其他用途,例如收集动能、传感器或能量和数据导体。如果把所有这些功能的载体设计成汽车或者飞行器车身的一部分而非单独的构件,那么就可以将重量降低50%。”

Asp领导了一个多学科的研究小组,他们最近发表了一项关于碳纤维的微观结构如何影响其电化学性能的研究,研究了碳纤维在锂离子电池中作为电极工作的能力。到目前为止,这还是一个尚未探索的研究领域。

研究人员对不同类型商用碳纤维的微观结构进行了研究。他们发现,具有较小和较差取向晶体的碳纤维具有良好的电化学性能,但相对硬度较低。如果与具有大而较好取向的晶体的碳纤维相比,它们的刚度更大,但电化学性能太低,将不适合用于结构电池。

Asp说:“我们现在知道了应该如何制造多功能碳纤维,以获得高储能能力,同时也要确保足够的刚度。对于汽车等许多应用领域来说,刚度略微降低并不是主要的问题。目前市场上主要的碳纤维复合材料是很昂贵的,其刚度是根据飞机使用量身定制的。因此,碳纤维制造商还有巨大的提升潜力。”

在本研究中,具有良好电化学性能的碳纤维的硬度略高于钢,而电化学性能较差的碳纤维的刚度也不过只有钢的两倍。

Asp解释说,研究人员正在与汽车公司和航空公司合作,对于航空工业来说,可能需要增加碳纤维复合材料的厚度,以补偿结构电池刚度的降低,这也会增加它们的储能能力。

Asp说:“关键是要根据重量,强度,刚度和电化学特性系统地优化车辆。这对汽车行业来说是一种全新的思维方式,它更多地用于优化单个组件。没有像传统电池那样高效,但由于它们具有结构承载能力,因此可以系统地获得非常大的收益。“

他继续说,“此外,结构电池的能量密度较低,将使它们比标准电池更安全,特别是它们也不含有任何挥发性物质。”

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