過(guò)去一段時(shí)間，關(guān)于結(jié)構(gòu)電池的討論及研究正風(fēng)生水起。

今年九月底的特斯拉“電池日”上，Elon Musk 就曾許下承諾：除了無(wú)鈷陽(yáng)極和純鎳陰極等高能技術(shù)外，他們還會(huì)將電池變成車架，在提升車輛強(qiáng)度的同時(shí)幫助電動(dòng)車減重 10%，而減重則意味著續(xù)航提升。

談到這一點(diǎn)時(shí)，Musk 直言特斯拉的結(jié)構(gòu)電池將是工程上的革命。

不過(guò)，對(duì)于不少電池領(lǐng)域研究者來(lái)說(shuō)，Musk口中所描繪的未來(lái)，他們?cè)缫岩娮R(shí)過(guò)。“它并非嵌入式電池，因?yàn)椴牧献陨砭褪悄茉创鎯?chǔ)設(shè)備。實(shí)話說(shuō)，他們說(shuō)的事我們十年前就已經(jīng)做過(guò)了。”帝國(guó)大學(xué)材料科學(xué)家 Emile Greenhalgh 說(shuō)道。

在結(jié)構(gòu)電池領(lǐng)域，Greenhalgh 是世界級(jí)頂尖專家，他們的目標(biāo)是盡可能地抹除電池與其他物體間的邊界。

當(dāng)下，電池組占據(jù)了絕大多數(shù)電子產(chǎn)品中大部分的空間及重量。譬如電動(dòng)車，車重的三分之一都來(lái)自電池組。由此，特斯拉便提出將電池變成車架，而非將電池組安裝在車架上(比如讓電池組充當(dāng)?shù)妆P，砍掉原本支持電池組的底盤結(jié)構(gòu))。

Greenhalgh和他的團(tuán)隊(duì)則提出了更“激進(jìn)”的方案： 直接舍棄電池組，使用車體去做能量存儲(chǔ)，新的結(jié)構(gòu)電池可以完全“隱形”。

在 Greenhalgh 看來(lái)，電能應(yīng)該存儲(chǔ)于制作車體的復(fù)合材料中，從這個(gè)角度出發(fā)，電池就不算作額外重量了，因?yàn)檎麄€(gè)車都將是電池。

“這樣的方案讓各類材料同時(shí)承擔(dān)了兩項(xiàng)工作。”Greenhalgh 說(shuō)道，“這種新的電動(dòng)車設(shè)計(jì)方案能大大提升車輛性能與安全性。”

結(jié)構(gòu)電池來(lái)臨

手機(jī)或電動(dòng)車的鋰電池主要由四個(gè)部分組成：陰極、陽(yáng)極、電解液和隔板。當(dāng)電池放電時(shí)，鋰離子會(huì)從陽(yáng)極(負(fù)極)流向陰極(正極)，中間會(huì)通過(guò)可滲透的隔板，以防止短路。

在傳統(tǒng)電池中，這些元器件的狀態(tài)已經(jīng)成型：要么疊加式要么滾筒式。

而在結(jié)構(gòu)電池里，我們可以對(duì)這些元器件進(jìn)行重新配置，以便嵌入不規(guī)則的模具中，且能承受巨大的物理壓力。

結(jié)構(gòu)電池的形態(tài)不像立方體或圓柱體，它們看起來(lái)更像機(jī)翼、車體或者手機(jī)殼。

世界上首個(gè)結(jié)構(gòu)電池誕生在 2005 年的美國(guó)軍隊(duì)中，當(dāng)時(shí)電池的電極用到了碳纖維材料。

碳纖維是一種輕質(zhì)的新材料，一直以來(lái)都是飛機(jī)機(jī)身及高性能汽車的最愛。除了上述特性，在存儲(chǔ)鋰離子方面，碳纖維也比較在行，因此它也成了其它碳基材料，譬如石墨(一般用在陽(yáng)極上)的絕佳替代品。

不過(guò)在結(jié)構(gòu)電池里，碳纖維需要混合類似磷酸鐵的反應(yīng)材料來(lái)充當(dāng)陰極，然后用一張薄薄的編織玻璃片將兩個(gè)電極隔開，不同的層級(jí)懸浮在電解液中。

通過(guò)以上工藝，結(jié)構(gòu)電池可以做到幾百萬(wàn)分之一米厚，且可以切割成任何需要的形狀。

Greenhalgh之外，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)材料科學(xué)家 Leif Asp 在過(guò)去十年里也一直站在結(jié)構(gòu)電池研究的最前沿。

2010 年，Asp、Greenhalgh 和一個(gè)歐洲科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作開展了名為“存儲(chǔ)”(Storage)的項(xiàng)目。其目標(biāo)就是打造出結(jié)構(gòu)電池并將其集成到沃爾沃的混合動(dòng)力原型車中。

Asp 表示：“我們當(dāng)時(shí)并不認(rèn)為它會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生多大影響，但隨著項(xiàng)目不斷深入，我開始覺得這可能是個(gè)非常有用的想法。”

在他看來(lái)，傳統(tǒng)電池應(yīng)該被定性為“結(jié)構(gòu)寄生蟲”。他指出，結(jié)構(gòu)電池的主要好處在于，可以增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。

“我們需要關(guān)注能源效率，”Asp 說(shuō)道，在一個(gè)大部分電力仍由化工燃料生產(chǎn)的世界里，每一個(gè)電子在對(duì)抗氣候變化的過(guò)程中都異常重要。

在為期三年的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，Storage 團(tuán)隊(duì)成功將商用鋰電池集成到了整流罩中。不過(guò)，它不是汽車的主電池，而是一個(gè)較小的輔助電池組，當(dāng)車輛在等紅燈時(shí)，它能為空調(diào)、音響和燈光提供電力。

值得注意的是，這是第一個(gè)集成在汽車車身結(jié)構(gòu)電池的概念驗(yàn)證，本質(zhì)上是特斯拉試圖實(shí)現(xiàn)相關(guān)效果的mini版。

不過(guò)，將一堆傳統(tǒng)鋰電池夾在車身里，依然不如讓汽車的車身充當(dāng)電池來(lái)得高效。在 Storage 項(xiàng)目里，Asp 和 Greenhalgh 還開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)化的超級(jí)電容(用作后備箱蓋)。

超級(jí)電容類似于電池，但以靜電荷的形式儲(chǔ)存能量，而不是化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)化身超級(jí)電容的后備箱蓋是由兩層注入氧化鐵和氧化鎂的碳纖維組成，中間用絕緣層隔開。整個(gè)堆棧被層壓板包裹，并被塑造成后備箱的形狀。

超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存量遠(yuǎn)不如電池，但它們?cè)诳焖佥斔蜕倭侩姾煞矫娣浅３錾?。Greenhalgh 還表示，它們也更容易使用，是搞定結(jié)構(gòu)電池的必要墊腳石。

沃爾沃做這輛車是為了進(jìn)行概念驗(yàn)證，證明結(jié)構(gòu)化儲(chǔ)能在電動(dòng)車中是可行的，而 Storage 項(xiàng)目的成功也引發(fā)了對(duì)結(jié)構(gòu)電池的大量炒作。

不過(guò)，盡管有了一定的苗頭，但該團(tuán)隊(duì)還是花了幾年時(shí)間才從歐盟委員會(huì)拿到了更多資金。“這是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，不是扔幾百萬(wàn)英鎊就能解決的。”Greenhalgh 談到融資困難時(shí)說(shuō)道。

今年夏天，該團(tuán)隊(duì)又開啟了一項(xiàng)名為“Sorcerer”(意為魔術(shù)師)的研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是開發(fā)商用飛機(jī)可用的結(jié)構(gòu)性鋰電池。

航空市場(chǎng)可以說(shuō)是結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能的殺手應(yīng)用，商用飛機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量排放，但客機(jī)的電動(dòng)化卻是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兡芎奶摺?/p>

航空煤油雖會(huì)污染環(huán)境，但它的能量密度卻是最先進(jìn)商用鋰電池的 30 倍左右。在一架普通的 150 座客機(jī)上，這意味著每人的飛行需要大約 1 噸電池來(lái)支撐。

換句話說(shuō)：如果你試圖用現(xiàn)有的電池為這架飛機(jī)供電，這架飛機(jī)將永遠(yuǎn)無(wú)法起飛上天。

無(wú)論是空客這樣的航天巨頭，還是Zunum 這樣的初創(chuàng)公司，他們多年來(lái)都在致力于客機(jī)的電氣化。不過(guò)即使他們成功了，在飛機(jī)上裝滿傳統(tǒng)電池也有重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

大型電池組一旦短路，可能會(huì)引起災(zāi)難性的火災(zāi)或爆炸。“航空航天產(chǎn)業(yè)非常保守，用真正的高功率電池包裹住飛機(jī)會(huì)讓它們坐立不安。”Greenhalgh 解釋道，新興的電池化學(xué)配方，包括固體電解質(zhì)，可以降低風(fēng)險(xiǎn)，但滿足客機(jī)的巨大能量需求仍然困難重重，這個(gè)問(wèn)題可以用結(jié)構(gòu)電池來(lái)解決。

作為 Sorcerer 項(xiàng)目的一部分，Asp 和他的同事們打造了由薄層碳纖維制成的結(jié)構(gòu)電池，這些電池可以用來(lái)制造飛機(jī)的機(jī)艙或機(jī)翼部分。

與十年前他們?cè)?Storage 項(xiàng)目中生產(chǎn)的電池相比，Sorcerer 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)性電池機(jī)械性能和能量密度都有顯著提高。“眼下，我們打造的材料在儲(chǔ)能和機(jī)械方面已經(jīng)有被替代系統(tǒng)二到三成的功力了，”Asp 說(shuō)道。“這是一個(gè)巨大的進(jìn)步”。

不過(guò)，在結(jié)構(gòu)電池走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界的過(guò)程中，解決了技術(shù)挑戰(zhàn)也只能算勝利了一半。政府對(duì)汽車和航空產(chǎn)業(yè)監(jiān)管非常嚴(yán)格，制造商往往利潤(rùn)微薄。

這意味著將新材料引入汽車和飛機(jī)需要向監(jiān)管機(jī)構(gòu)證明其安全性，并向制造商證明其優(yōu)越的性能。

當(dāng)結(jié)構(gòu)電池充放電時(shí)，鋰離子在碳纖維陰極中進(jìn)進(jìn)出出，從而改變其形狀和機(jī)械性能。對(duì)于制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些結(jié)構(gòu)電池在使用時(shí)的反應(yīng)，以及如何影響它們所驅(qū)動(dòng)的車輛的性能非常重要。

為此，Greenhalgh 和 Asp 正在搭建數(shù)學(xué)模型。這些模型將準(zhǔn)確地顯示結(jié)構(gòu)電池打造的車輛在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化。

Asp 指出，由于結(jié)構(gòu)電池對(duì)功率的要求很高，而且在監(jiān)管方面也面臨著挑戰(zhàn)，因此在汽車中普及結(jié)構(gòu)電池可能還需要十多年時(shí)間。他預(yù)測(cè)，在這之前，結(jié)構(gòu)電池會(huì)首先在消費(fèi)電子產(chǎn)品中搶灘登陸。

微電子領(lǐng)域先爆發(fā)?

對(duì)于以上觀點(diǎn)，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室電池與材料系統(tǒng)組首席科學(xué)家兼主管肖杰表示贊同，“結(jié)構(gòu)電池在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用是極具前景及常被忽視的。”

“結(jié)構(gòu)電池對(duì)微電子設(shè)備非常有幫助，因?yàn)楹笳唧w積有限。”肖杰說(shuō)道，雖然可以將傳統(tǒng)電池生產(chǎn)到黃豆大小，但這些電池在微電子領(lǐng)域仍然體積過(guò)大，而結(jié)構(gòu)電池所占的空間不會(huì)超過(guò)設(shè)備本身。

在西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，肖杰和她的同事們研究了微型電池設(shè)計(jì)的一些基本問(wèn)題，比如當(dāng)結(jié)構(gòu)電池彎曲或扭曲時(shí)，如何保持電極之間的對(duì)齊。

“從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，你的正極和負(fù)極相對(duì)立是非常重要的，”肖杰解釋道。“所以即使我們可以利用空隙，如果這些電極不對(duì)齊，它們也不會(huì)參與化學(xué)反應(yīng)，這就限制了不規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)電池的設(shè)計(jì)。”

肖杰和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為微型結(jié)構(gòu)電池進(jìn)行了一些小眾的科學(xué)應(yīng)用，比如鮭魚和蝙蝠的注射式追蹤標(biāo)簽。但她說(shuō)，這些技術(shù)要想在假肢、電子皮膚等新興技術(shù)中找到主流應(yīng)用還需要一段時(shí)間。

與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)電池可能還是高能耗機(jī)器人的福音。在密歇根大學(xué)安阿伯校園的實(shí)驗(yàn)室里，化學(xué)家 Nicholas Kotov 就與研究生一起開發(fā)了不少小型仿生機(jī)器人。

“生物體將能量?jī)?chǔ)存分布在整個(gè)身體中，以便它們發(fā)揮雙重或三重功能，”Kotov 說(shuō)道。“脂肪是一個(gè)很好的例子，它存儲(chǔ)了大量能量。但問(wèn)題是：我們?nèi)绾螐?fù)制它?”

該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是創(chuàng)造出能模仿動(dòng)物的仿生機(jī)器，因此他們需要一個(gè)能與機(jī)器人骨骼整合的動(dòng)力源，就像脂肪和肌肉對(duì)人類一樣。

他們最新的一些作品包括機(jī)器蝎子、蜘蛛、螞蟻和在地板上溜達(dá)的毛毛蟲，所有這些機(jī)器人都是由一個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)電池提供動(dòng)力，與它們的運(yùn)動(dòng)部件集成在一起。

電池像一個(gè)銀色外殼一樣安置在機(jī)器人背面，它既能給機(jī)器人機(jī)械內(nèi)臟供電，又能保護(hù)機(jī)器人的機(jī)械內(nèi)臟。這是從自然界中汲取靈感，以改進(jìn)那些非自然的東西。

與 Asp 和 Greenhalgh 正在開發(fā)的碳纖維和鋰離子隔板不同，Kotov 和他的學(xué)生為他們的仿生機(jī)器人創(chuàng)造了一種“鋅-空氣”結(jié)構(gòu)電池。

這種電池化學(xué)成分讓它比傳統(tǒng)鋰電池儲(chǔ)能更多。它由鋅陽(yáng)極、碳布陰極和由聚合物納米纖維制成的半剛性電解質(zhì)組成，這種半剛性電解質(zhì)是由納米工程模擬軟骨制成的，而電池中的能量載體是空氣中的氧氣與鋅相互作用時(shí)產(chǎn)生的氫氧離子。

車輛用的結(jié)構(gòu)電池具有很高的剛性，而 Kotov 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的電池則是要足夠柔韌，以配合機(jī)器人的動(dòng)作。

它們的能量密度也非常大，正如 Kotov 和他的團(tuán)隊(duì)今年早些時(shí)候發(fā)表的一篇論文所述，新的結(jié)構(gòu)電池能量是相同體積的傳統(tǒng)鋰電池的 72 倍。目前，他們的電池被用來(lái)為機(jī)器人玩具和小型無(wú)人機(jī)供電，但主要目的還是概念驗(yàn)證。

不過(guò) Kotov 表示，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，結(jié)構(gòu)電池將被用于中型機(jī)器人以及大型無(wú)人機(jī)。

過(guò)去，電池一直是個(gè)附加物、限制因素，如今，它正在我們眼前逐步消失，融進(jìn)我們電氣化世界的架構(gòu)中。

未來(lái)，一切都可能是電池，獨(dú)立的儲(chǔ)能設(shè)備將像固定電話或便攜式CD機(jī)一樣過(guò)時(shí)。

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