轻量储能手艺的需求正在鞭策汽车电池和其他电子产物用碳纤维复合材料的成长。

在移动和便携式电子装备爆炸和无人机和电动汽车（EV）的普和的鞭策下，这场研究比赛正致力在开辟新的轻质材料用在储能手艺，特殊是具有更长命命和更高重量和体积效力的材料。碳和复合材料几十年来一向是储能系统的构成部门，此中一个显著的例子是石墨碳，它包括锂离子电池的阳极。阳极凡是由金属或金属氧化物制成的碳纤维复合材料组成，再加上聚合物涂层、反对层和某种类型的阴极，构成电位，使电子流过电路。填充导电材料的碳纤维/聚合物基复合材料也被用在电磁干扰（EMI）屏障材料，普遍利用在航空航天、汽车和消费电子等范畴。

复合材料储能的一个新兴研究方式是经由过程最早进的材料将电池、燃料电池和电容器的质量最小化，终究方针是提高总功率密度。“现在的问题之一是，电池重量的50%摆布可以用在不发生能量的部件，”IDTechEx（英国伦敦）高级手艺阐发师Rid Collins博士说，该公司对新兴手艺（包罗进步前辈材料）进行了自力的市场研究。

例如，在为电动和夹杂动力汽车供电的电池组中，电力系统总质量的一个需要构成部门是电池外壳。汽车热治理专家Zircotec Group（英国Abingdon）的手艺总监Simon Hiiemae说：“高电压电池，机能电动汽车可以到达1000伏以上，会发生良多射频噪声。”Hiiemae指出，庇护集成在电动汽车中的敏感节制电子装备的一种方式是将电池放在金属盒中，凡是是铝，用作法拉第笼，以接收来自电池自己或四周来历的电磁场或射频干扰；但是，这增添了相当年夜的重量。用轻质碳纤维复合材料取代金属可以减轻重量，但年夜大都复合材料对射频噪声是透明的，不克不及供给所需的干扰防护程度。

Zircotec团体推出了一种解决这一手艺困难的方式：一种导电的两部门涂层系统，可以很轻易地利用在由碳纤维或玻璃纤维填充复合材料制成的电池外壳。涂层的第一层是一层薄的铝合金粘合层，直接涂在复合材料上，不含任何溶剂或粘合剂，并供给庇护电池不受干扰所需的导电性。第二，在第一金属层上涂上陶瓷层，庇护其不受磨损和侵蚀；另外，可以对该陶瓷层进行点窜，以纳入热障庇护，庇护电池免受外部热源的影响。Hiiemae陈述说，很多汽车制造商正在对涂层进行测试；他说，与铝比拟，复合电池外壳可以节流高达4公斤/平方米的重量。

多功能材料

在储能行业也取得了吸引力的是一种可以或许发生电流或贮存电荷的布局层压板，这类方式试图将布局和电气系统集成到耗电产物中。这类多功能材料20多年前初次提出并在研究中摸索，首要针对军事和进步前辈航空航天利用，在实现周全贸易化的道路上依然面对着庞大的手艺挑战。但是，在曩昔的五到六年中，多功能材料的成长在几个方面获得了本色性进展。

复合布局超等电容器（SSC）具有非凡的成长潜力，部门缘由是其布局相对简单。SSC经由过程电极/电解质界面处的静电电荷堆集来存储能量，凡是设计为两个碳多孔电极的夹层布局，由一个膜离隔并嵌入具有高离子导电性的液体电解质中。传统商用超等电容器供给高能量和功率密度、长周期寿命和在各类温度环球app官网和前提下靠得住运行。idtechex公司的柯林斯说，固然SSC有朝一日可以用在为火车或汽车供给动力，但最早的贸易SSC利用多是用在军事用处的无人驾驶飞翔器（UAV）。柯林斯说：“集成到无人机中的SSC可以显著耽误射程和作战时候，这是一个要害的机能需求。”“另外，第一个商用SSC的建造本钱很高，是以它们极可能最合适军事类型的项目。”

多功能材料研究程序的加速有助在鞭策该手艺走向贸易化。例如，欧盟帮助的一个项目“巫师”正在为电动和夹杂动力电动飞机的轻型布局储能材料的研究供给撑持。该项目旨在开辟可用在布局电池和布局超等电容器的进步前辈材料和手艺。

另外一个项目触及IMDEA材料研究所（西班牙Getafe）的一组研究人员与欧盟帮助的一些项目（如巫师项目，包罗空客项目）的一些航空航天合作。该小组演示了一种新型的电双层电容器（EDLC）的布局，这类电容器由薄夹层布局制成。这些布局是交织的，包罗碳纳米管（CNT）纤维面纱和注入环氧树脂的碳纤维层之间的离子型、液基聚合物电解质。Juan Jose Vilatela博士是多功能纳米复合材料小组的成员之一，他说，该项陌生产的复合材料对别离到达88 mf/g和30 wh/kg的高比电容和功率密度是值得留意的。这比机能最好的布局材料高一到三个数目级。该材料的能量密度也为37.5Wh/kg，是今朝研究的布局超等电容器的最高丈量值之一。

Vilatela说，碳纳米管具有比碳纤维织物年夜1000倍的概况积的固有优势。碳纳米管还具有很高的电化学不变性。为了制造EDLC复合材料，在八层（4+4）Hexcel（Stamford，CT，US）Hexforce高强度碳纤维织物（G0926）之间设置一个薄的EDLC夹层，真空注入由Ashland Chemical（Columbus，OH，US）供给的环氧乙烯基酯树脂Derakane 8084，并在48小时内完全固化。室温。中心层由一个夹层布局构成，该夹层布局从中心向外包罗一个约100-120微米厚的聚合物电解质膜，设置在两个CNT纤维板之间，两个CNT纤维板都固定在薄铝集流板上。以铁、硫催环球平台化剂和丁烷为碳源，采取直接纺丝法合成了碳纳米管纤维。

在定位在碳纤维织物的外层之间之前，向夹层施加少许压力，以将软电解质膜浸渍到多孔CNT纤维板中。本研究所制备的EDLC样品约为4平方厘米（典型层压板布局梁的尺寸），虽然Vilatela说，自立式EDLCS可在不需要额外布局支持的环境下利用，但其尺寸可高达100平方厘米。四点曲折实验中EDLC样品的现场电机丈量注解，电化学机能一向连结到断裂点。斟酌到该材料作为一种布局和储能材料的利用，该实验是对其机能的要害验证。

IMDEA团体利用单向CNT织物建造SSC，将该项目与利用各类“活性”碳纤维织物作为储能材料的近似并行工作辨别开来。Vilatela等人援用的一个如许的项目。颁发在科学陈述（2018年2月）上的论文，利用注入手艺在碳纤维织物四周发展高比概况积碳气凝胶（CAG）。连系含有10%锂离子的乙二醇基质，该手艺发生的材料的计较能量密度仅为0.环球app体育84 m wh kg，与包括CNT纤维的EDLC取得的能量密度比拟，该材料的能量密度较低。这项手艺，特殊是在利用高比概况积复合材料时，发生了一种剪切模量为895兆帕的复合材料，与传统的布局复合材料相当。比拟之下，IMDEA研究中的CNT复合材料的曲折模量为60 gpa，曲折强度为153 mpa，其值与典型的未填充聚酰亚胺相当，低在首要布局利用中利用的复合材料所需的强度和刚度特征。

每个项目标成果都注解，在普遍的笔触中，开辟完全贸易化的多功能材料所面对的挑战之一，该材料合用在普遍的利用范畴：即，很难建造具有足够电气和布局机能的复合材料。

柯林斯认为，今朝布局和电气机能之间的衡量不会成为该手艺采取和贸易化的首要障碍。他说：“我不认为这些新型复合储能材料布局机能的降落会限制其有用性，由于即便机能稍差的碳纤维加强材料，其强度和刚度仍足以在某些利用中阐扬感化。”更年夜的问题，他认为，是若何设计和机械地整合固体聚合物电极和电绝缘但离子导电的分手器的问题。其他挑战包罗经济有用的制造和平安。

汽车能源手艺领先

但是，在汽车角逐中，进步前辈材料储能的将来已到来。自2014年以来，第一款全电动FIA赛车系列的E级方程式赛车采取进步前辈的多功能复合材料800V布局电池供电。电池手艺是由威廉斯进步前辈工程公司（英国格罗夫）开辟和制造的，该公司是为E级方程式电网制造汽车电池的独一供给商。典型的E级方程式赛车年夜约有250马力（190千瓦），可以在3秒内从0加快到100千米小时（0到62英里小时），最年夜速度为225千米/小时（140英里/小时）。有关威廉斯高级工程公司（Williams Advanced Engineering）用在消费类车辆的布局电池系统（如电池电动FW-EVX）的更多信息，请拜见CW 2018年11月的《专注在设计故事》（Focus on Design Story）“鞭策电动汽车向前成长”（Pushing EVS Forward）。

另外一方面，现代汽车团体（韩国首尔）正操纵SGL团体（德国威斯巴登）供给的氢燃料电池手艺制造其零排放汽车Nexo。这辆出产型汽车涵盖了汽车制造商和SGL多年的开辟工作和合作，在此时代，现代优化了Ix35示范燃料电池汽车上的氢动力传动系统和其他部件。自2018年3月最先出产以来，现代已陈述平均每个月发卖约45辆，假如可以或许连结这类速度，那末将在2018年到达500辆以上的销量，这是氢燃料电池汽车新的一年发卖记实。

NEXO的焦点手艺是Sigracet燃料电池，一种由SGL开辟和发卖的聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）。质子互换膜燃料电池（PEMFC）经由过程将氢燃料转化为电能来发生电化学动力，其副产物只有水和热。单个PEMFC电池由两个流场构成，包罗两个气体分散层（GDL）和两个碳支持的贵金属催化剂层，每一个层由质子互换膜离隔。反过来，GDL是一种双层布局，由年夜孔背衬材料（碳纤维纸）和微孔碳下层构成。膜电极组件被构建为一个分层的层压板，此中一个GDL作为阳极，另外一个GDL层作为阴极。PEMFC夹在由石墨、涂层钢或钛制成的两个双极板（BPP）之间。BPP组成了烟囱的布局部件，而且设计有通道来容纳冷却剂流和水出口。汽车PEMFC系统凡是由多达400个电池组构成，功率输出约为80至120千瓦。

复合材料在储能方面正在获得进展，但要使更洁净、更轻的能源成为年夜范围的实际，将取决在在燃料电池、布局电池和布局超等电容器等进步前辈手艺方面的细节。

IDTechEx研究并评价了多种多功能聚合物复合材料的手艺预备程度（TRL）。评级系统基在一系列尺度，包罗研究是不是依然首要是学术性的（发生较低的评级），手艺是不是正在原型化或测试（发生较高的评级），或手艺是不是到达贸易化（最高评级）。数据发掘注解，按照IDTechEx的尺度，用在储能和储能的多功能材料仍处在相对初期的开辟阶段——略高在自愈材料和完全嵌入的电路，但掉队在电力传输和嵌入式传感器。柯林斯指出：“例如，当你不雅察SSC的电极时，此中一个挑战就是若何恰当地改良概况积。”“CNT显示出了许诺，但仍有法子在贸易上证实这一点。”