高抗拉強度碳纖維鋰電池材料

   鋰電世界     日前，有消息稱來自瑞典的研究人員正在探索研制可用于電動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度。該碳纖維鋰電池電極材料將被用于電動汽車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集成到汽車車身中。由于碳纖維材料具有非常高的抗拉強度和極限拉伸強度(ultimatetensilestrength，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。

    來自瑞典皇家理工學院(KTH)的MatsJohansson表示，以上電動汽車碳纖維鋰電池結構電極材料研發項目主要研究目的是為了提升電池的機械特性，實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。MatsJohansson還舉例子道，通過利用以上電動汽車碳纖維鋰電池結構電極材料可以將汽車的發動機蓋設計為電池的一部分。以上多功能鋰離子結構汽車電池目前已經吸引了眾多的項目研究，其中包括：

    來自英國倫敦帝國學院的研究人員和沃爾沃汽車技術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一種多功能鋰離子結構汽車電池原型，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，因此又可以用來設計制造集成到汽車零部件中。該研究項目總經費為340萬歐元(約合470萬美元)。項目研發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中以進行試驗研究。

    沃爾沃汽車研究小組已經研發出了兩種多功能復合材料組件并進行了實驗研究，這為以上技術的后續研究打下了基礎。其中，已經研發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車型中進行了實車實驗。

     RANGE研究計劃

    美國高級項目研究所能源所(AdvancedResearchProjectsAgency-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電動汽車儲能介質革命性進步。在2013年，美國高級項目研究所能源所分別向四個不同的研究項目授予了總額高達875萬美元的項目獎金。以上四個研究項目分別由斯坦福大學(StanfordUniversity)、加州大學圣地亞哥分校(UCSanDiego)、亞利桑那州立大學(ArizonaStateUniversity)和賓州州立大學(PennState)領導完成。其中，以上四個研究項目的研究目的均為研發多功能結構汽車用電池。

    英國倫敦帝國學院研發項目協調人EmileGreenhalgh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，與此同時還可以承載機械載荷。其所具備的特性在2005年被來自美國陸軍研究實驗室的研究人員正式實驗證實。

    在2005年的材料研究學會討論會上，一篇技術文章向人們介紹了多功能發電材料和儲能材料的三個應用實例：鋰離子結構電池、質子交換膜(protonexchangemembrane，PEM)燃料結構電池和結構電容器。文章研究人員表示，以上新型的技術應用都經過了精心的設計，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。

    對于此技術瑞典皇家理工學院組成了一支研究小組，該研究小組成員由來自瑞典皇家理工學院的三名教授組成，其中包括化學工程教授G?ranLindbergh、光纖和聚合物技術教授MatsJohansson和航空和車輛工程教授DanZenkert。此外，參與該項研究計劃的還包括瑞典SwereaSICOMP和呂勒奧技術研究所(Lule?InstituteofTechnology)。

    聚丙烯腈的可逆容量潛力

    來自瑞典皇家理工學院的汽車和航空航天工程研究員EricJacques(其博士論文研究方向就是關于結構電池方面的)表示，碳纖維材料應用到汽車中主要有兩種功能體現，其一就是作為汽車車身的輕質復合型加強材料；另一主要應用就是作為汽車鋰離子電池的電極。

     EricJacques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發一種不僅可以具有輕質材料特性同時又可以承受機械載荷另外又可以儲存電能的多功能結構電池。這樣一來就可以大幅降低電動汽車的整體重量。”

     EricJacques和其同事于2013年在電化學學會期刊上發表了一篇關于該碳纖維鋰電池電極材料研究的技術論文。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，市場上出售的好幾個檔次的聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)基碳纖維的可逆電容量在完成十次充放電循環后均能夠達到100毫安時/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。經試驗發現，降低通過所有實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%。通過以上實驗測量研究，EricJacques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。

     EricJacques

    在今年早些時候，EricJacques和其同事又在Carbon雜志上發表了一篇文章。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系。該論文主要研究結論還包括：

    鋰離子電池在經過幾次電化學充放電循環后，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在電池使用過程有所降低，但是其會在電池脫鋰過程中部分恢復，并在電池達到最大測量電容量時達到最高。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系表明，電池在使用過程中碳纖維并不會受到影響，而電池中的鋰在碳纖維脫鋰過程中可能會發生不可逆反應。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性關系。同時，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。

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

     EricJacques對此表示：“對于以上技術的研究實驗呈現出了非常理想的實驗結果，但是在我們推出最終的可應用電池之前我們還有非常多的工作需要去完成。”