2023年03月20日 | 彻底消除里程焦虑，电动汽车本身就是电池，超级电容器会是下一代储能技术吗

2023-03-20 来源：SF中文

彻底消除里程焦虑，电动汽车本身就是电池，超级电容器会是下一代储能技术吗

（图片来源：Flickr）

近年来，随着全球能源储量逐渐微缩以及全社会环保意识的提高，新能源汽车越来越受到公众的关注，甚至一些国家和地区已经制定计划在未来完全取消燃油汽车的销售。而电动汽车则成了新能源汽车中最具实用价值的一类，已经广泛应用于我们的日常生活中。

我们都知道，电动车需要需要接通电源充电，而寻找充电桩在当下却成了限制电动汽车使用的一个主要因素 —— 曾经驾驶过电动汽车的朋友应该都有过“到处寻找充电桩而不得”的烦恼吧。另一个限制电动汽车使用的因素就是它的续航能力，同燃油汽车相比，电动汽车由于电池电量的限制，充满一次电的续航里程有限。没电了就得再次充电，这不又回到“寻找充电桩”的问题了。

因此，很多科学家都在尝试寻找新的供电方式 —— 既能保证供电，又能提升电动汽车的续航里程，还便于使用。

另辟蹊径：超级电容器替代电池

也许你已经发现，提升电动汽车的实用性，电池是关键。科学家为此也大都把关注的焦点聚焦在电池上。传统的电动汽车电池都位于车辆的地盘上，由于底盘空间有限，所以安置电池的数量也有限，影响了电动汽车的续航里程。

彻底消除里程焦虑，电动汽车本身就是电池，超级电容器会是下一代储能技术吗

电动汽车的底盘处配置了发动机、变速箱、传动系统、悬挂系统等部分，仅够安置少数几块电池。（图片来源：Tennen-Gas）

一些科学家决定另辟蹊径 —— 他们设想用复合材料结构超级电容器（简称结构电容）取代电池为电动汽车供电。同电池相比，超级电容器具有充放电速率高的特点。

结构电容是一种集承载和储能于一体的元件。换句话说，这种元件既能用于制作电动汽车的车体，承载车体和各种部件的重量，又能用来储存电能，为电动汽车供电。目前，多数研究都仅限于理论，很少有做出实际元件的。通过实验研究，科学家此前设计的这些结构电容无论在力学强度上，还是在电化学性能上，都表现得很差，完全不能满足为电动汽车供电的需要。

这是不是说，这种新路径走不通，连试验都通过不了？其实也不必如此悲观。香港理工大学和南方科技大学的科学家已经找到了解决问题的方案。

此前设计的结构电容之所以表现差，是因为制作结构电容的材料的力学性能和离子导电率不能满足需要。为了解决这个问题，研究团队设计了一种新式结构：采用离子导电率较高的凝胶电解质，并用经特殊处理的碳布（一种碳纤维织物）充电电极，制成结构电容的柔性储能器件；然后同环氧树脂材料（提供力学支撑作用）层叠交替放置，待环氧树脂固化，碳纤维结构电容就制成了。

彻底消除里程焦虑，电动汽车本身就是电池，超级电容器会是下一代储能技术吗

碳纤维结构电容的制备过程示意图。（图片来源：Elsevier）

为了测试这种碳纤维结构电容的性能，研究团队对结构电容做了了力学-电化学双场耦合测试，即在外力作用下测试电化学性能，以探究在外力作用下结构电容电化学性能的稳定性。实验结果表明，在静态载荷和动态载荷下，碳纤维结构电容充放电性能都表现得十分稳定，能够满足承载与储能结合于一体的设计需要。

未来的电动汽车本身就是“电池”？

这项研究还处在实验室研究和概念设计阶段，理论要与实践相结合，这样的基础研究到底有没有实践意义呢？其实，距离这项研究成果指导电动汽车设计与制造的实践还有很长一段路要走。

而且，如今各种新材料层出不穷，但柔性电解质的相关研究仍有些欠缺，诸如如何平衡力学强度和离子导电率这样的问题，科学家还需进一步的研究。此外，提升结构电容储存电能的能力也至关重要，毕竟它取代的是电池。总的来说，这种集承载与储能于一体的结构电容还是非常有潜力与应用前景的。

以碳纤维结构电容为材料制作的电动汽车模型（视频来源于该项目团队）

前面已经提过，结构电容最大的特点就是将承载与储能结合于一体，也就是说，用这种材料制成的电动汽车自己本身就是“电池”。

未来，结构电池可用于制备汽车的底盘、车身、发动机盖等所有的车身结构，这样车身在保持力学强度的同时，也能为电动汽车供电 —— 大大降低了电动汽车的整体重量，并增加了电动汽车的续航里程。

此外，这种结构电容还能应用于无人机、无人船、飞机、航天器、轨道交通（比如地铁）、便携式电子设备（比如手机）和建筑等领域中。

参考文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140222

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