瑞典查爾姆斯理工大學的研究小組目前正在展示一種世界領先的無質量儲能技術進展——一種結構電池，可以將筆記型電腦的重量減半，使手機像信用卡一樣薄，或者一次充電可使電動車的續航里程增加70%。

「我們已經成功地製造了一種由碳纖維複合材料的硬度與鋁一樣高，並且能量密度足以用於商業用途。就像一個人體骨骼，電池同時具有多種功能。發表在先進材料。

查爾姆斯理工大學對結構電池的研究已經進行了很多年，在某些階段也與瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學院的研究人員合作。當 Leif Asp 教授及其同事2018 年公佈了他們的第一個結果關於堅硬、堅固的碳纖維如何以化學方式儲存電能，這項進展引起了廣泛關注。

碳纖維可以作為電極的消息鋰離子電池此成果被廣泛傳播，並被《物理世界》評為年度十大突破之一。

較輕的重量需要較少的能量

從那時起，研究小組進一步發展了其增加剛度和能量密度的概念。上一個里程碑是在 2021 年達到的當電池的能量密度為每公斤 24 瓦時 (Wh/kg) 時，這意味著大約是同類鋰離子電池容量的 20%。

現在已高達 30Wh/kg。雖然這仍然低於今天的電池，但條件卻截然不同。當電池成為結構的一部分並且也可以由輕質材料製成時，車輛的整體重量將大大減輕。例如，運行電動車所需的能量就幾乎沒有那麼多。

「如果我們要節約能源並考慮子孫後代，投資輕型和節能汽車是理所當然的事情。我們對電動車進行了計算，結果表明，如果它們的行駛時間比現在延長 70%，研究負責人、查爾姆斯理工大學工業與材料科學系教授Leif Asp 說：

當然，對於車輛而言，對設計的要求很高，必須足夠堅固以滿足安全要求。研究團隊的結構電池單元的剛度顯著提高，或者更具體地說，彈性模量（以吉帕斯卡 (GPa) 為單位）從 25 提高到 70。重量較輕。

「就多功能特性而言，新型電池是其前身的兩倍，實際上是世界上最好的電池，」自 2007 年以來一直在研究結構電池的 Leif Asp 說道。

商業化的幾個步驟

從一開始，我們的目標就是實現能夠使該技術商業化的性能。在研究仍在繼續的同時，與市場的聯繫也得到了加強——透過新成立的位於瑞典博拉斯的 Chalmers Venture 公司 Sinonus AB。

然而，在電池單元從小規模實驗室製造邁向為我們的科技產品或車輛大規模生產之前，仍有大量工程工作要做。

「人們可以想像信用卡- 輕薄的手機或筆記型電腦的重量是今天的一半，是當時最接近的。汽車或飛機中的電子設備等零件也可能由結構電池供電。這將需要大量投資來滿足運輸業具有挑戰性的能源需求，但這也是該技術可以發揮最大作用的地方，」萊夫·阿斯普（Leif Asp）說道，他注意到汽車和航空航天行業對此表現出了極大的興趣。

有關研究和結構電池的更多信息

結構電池是除了儲存能量之外還可以承載負載的材料。透過這種方式，電池材料可以成為產品實際結構材料的一部分，這意味著電動車、無人機、手持工具、筆記型電腦和手機等產品的重量可以大大降低。

該領域的最新進展發表在《揭開多功能碳纖維結構電池》一文中，作者為查爾姆斯理工大學的 Richa Chaudhary、Johanna Xu、Zhenyuan Xia 和 Leif Asp。

所開發的電池概念是基於複合材料，並以碳纖維作為正極和負極，其中正極塗有磷酸鐵鋰。當先前的電池概念提出時，正極的核心是由鋁箔製成的。

電極材料中使用的碳纖維具有多功能性。在陽極中，它充當增強材料、集電體和活性材料。在陰極中，它充當增強體、集電器以及鋰構建的支架。

由於碳纖維傳導電子電流，因此減少了對由銅或鋁（例如）製成的集電器的需求，從而進一步減輕了整體重量。所選電極設計中也不需要任何所謂的衝突金屬，例如鈷或錳。

在電池中，鋰離子透過半固態電解質而不是液體電解質在電池端子之間傳輸，這在獲得鋰離子方面具有挑戰性。高功率為此需要進行更多的研究。同時，該設計透過降低火災風險，有助於提高電池的安全性。