『超級電容器—電池』新型復合材料可提升電動汽車百分之二十五續(xù)航里程，有望應用在航天及可穿戴設備領域

目前，電動汽車的高速發(fā)展面臨著充電容量有限、充電里程低和充電時間長等諸多現(xiàn)實的挑戰(zhàn)。隨著汽車材料的不斷迭代與技術的進步，人們試圖通過將汽車材料變得越來越耐用、更輕薄等方式來解決該問題。

近日，美國中佛羅里達大學與美國國家航空航天局肯尼迪航天中心研究團隊合作，研發(fā)了一種超級電容器與電池的復合材料。這種新型復合材料集成超級電容器與電池的優(yōu)勢，其剛度性質與鋼類似，并且質量比鋁更輕，這有利于電動汽車動力容量的提升。

美國中佛羅里達大學研究團隊展示了他們開發(fā)的輕質超級電容器電池混合復合材料，從左至右依次為：科西克·桑巴斯·庫馬爾、賈揚·托馬斯和迪帕克·潘迪

2022年1月25日，相關論文以《用于電動汽車的儲能復合材料：用于車身面板的雙功能儲能超級電容器基碳纖維復合材料》為題，以封面論文的形式發(fā)表在Small。

“這種復合材料的優(yōu)點是可以減輕電動汽車的重量，并增加每次充電的里程數(shù)。我們的想法是，使用汽車外殼來儲存能量，以補充儲存在電池中的能量。”該論文通訊作者、美國中佛羅里達大學納米科學技術中心和材料科學與工程系教授賈揚·托馬斯說。

具體來看，這種新型復合材料質量輕的優(yōu)勢源于層狀碳復合材料，以及其納米級的特別設計。研究人員將石墨烯片（垂直排列）在碳纖維電極附著，通過這樣的結構提升石墨烯的能量存儲能力，堆疊與包含金屬氧化物的電極相連，以增加設備的電壓和能量密度。

也正是因為這種獨特的設計，使該復合材料在承受沖擊和彎曲強度方面有明顯的優(yōu)勢，這種性能的優(yōu)異性在汽車發(fā)生碰撞的情況尤為明顯。

此外，該材料有助于電動汽車續(xù)航里程的提升。通常，電動汽車的續(xù)航里程約為321公里，而使用這種新型復合材料后，其續(xù)航里程或可提升到402公里，這相當于將電動汽車的續(xù)航里程提升了25%。

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并且，超級電容器的另一個優(yōu)勢作用也不容忽視，那就是它可使電動汽車的動力“更近一層”。具體來說，這種新型復合材料通過充電或者汽車剎車補充電力，因此，它可為電動汽車提供3秒內從0加速到97公里/小時所需的“額外推動力”。

與過去的動力電池相比，這種新型復合材料不僅無毒還不易燃，因此具備環(huán)保和安全的優(yōu)勢。并且，它的充放電循環(huán)壽命是傳統(tǒng)電動汽車動力電池的10倍?！芭c過去存在有毒物質、易燃有機電解質、低生命周期或性能差等問題的方法相比，這是巨大的進步?！蓖旭R斯說。

電池的重量是電動汽車不容忽視的問題，通常它在電動汽車總重量中占30%～40%。該論文共同第一作者、美國中佛羅里達大學材料科學與工程系博士生科西克·桑巴斯·庫馬爾對媒體表示，“使用這種新型復合材料，我們可以在不增加電池重量的情況下增加行駛里程，進一步減輕車輛重量，同時保持高拉伸、彎曲和沖擊強度。每當你減輕重量時，你就可以增加續(xù)航里程，因此這在電動汽車和航空領域有著巨大的應用?！?/p>

電極制備和通電復合材料制造和應用示意圖

a、交叉編織碳纖維墊上活性材料沉積的奇數(shù)和偶數(shù)位置圖案；b、陽極的堆疊模式，以及陰極碳纖維墊制造大面積通電復合材料

這種新型復合材料的應用領域并不局限于電動汽車，該團隊希望將該技術運用到航天器、無人機、便攜式及可穿戴設備（如智能眼鏡/VR頭顯），甚至在太空環(huán)境中的衛(wèi)星等。

該團隊認為，在制造衛(wèi)星時如果使用這種新型復合材料，可以將衛(wèi)星的整體質量變輕。這種優(yōu)勢還能直接體現(xiàn)在降低發(fā)射成本上（每次數(shù)千美元），并且，在短時間內即可充電的特性，也有利于衛(wèi)星圍繞地球的運行。

下一步，該團隊將聚焦于技術的研發(fā)及進一步測試，以推動在該技術的產(chǎn)業(yè)化應用落地。據(jù)悉，真正進入商業(yè)應用需通過9級測試，而目前該技術已通過了5級測試，如果未來在太空中進行實際測試，則需要6級測試。