目前，電動(dòng)汽車(chē)的高速發(fā)展面臨著充電容量有限、充電里程低和充電時(shí)間長(zhǎng)等諸多現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)。隨著汽車(chē)材料的不斷迭代與技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)噲D通過(guò)將汽車(chē)材料變得越來(lái)越耐用、更輕薄等方式來(lái)解決該問(wèn)題。

近日，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)與美國(guó)國(guó)家航空航天局肯尼迪航天中心研究團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)了一種超級(jí)電容器與電池的復(fù)合材料。這種新型復(fù)合材料集成超級(jí)電容器與電池的優(yōu)勢(shì)，其剛度性質(zhì)與鋼類(lèi)似，并且質(zhì)量比鋁更輕，這有利于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力容量的提升。

美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示了他們開(kāi)發(fā)的輕質(zhì)超級(jí)電容器電池混合復(fù)合材料，從左至右依次為：科西克·桑巴斯·庫(kù)馬爾、賈揚(yáng)·托馬斯和迪帕克·潘迪

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

“這種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是可以減輕電動(dòng)汽車(chē)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(chē)外殼來(lái)儲(chǔ)存能量，以補(bǔ)充儲(chǔ)存在電池中的能量?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡?、美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)中心和材料科學(xué)與工程系教授賈揚(yáng)·托馬斯說(shuō)。

具體來(lái)看，這種新型復(fù)合材料質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)源于層狀碳復(fù)合材料，以及其納米級(jí)的特別設(shè)計(jì)。研究人員將石墨烯片（垂直排列）在碳纖維電極附著，通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)提升石墨烯的能量存儲(chǔ)能力，堆疊與包含金屬氧化物的電極相連，以增加設(shè)備的電壓和能量密度。

也正是因?yàn)檫@種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使該復(fù)合材料在承受沖擊和彎曲強(qiáng)度方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，這種性能的優(yōu)異性在汽車(chē)發(fā)生碰撞的情況尤為明顯。

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

相關(guān)論文

Small當(dāng)期封面

并且，超級(jí)電容器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)作用也不容忽視，那就是它可使電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力“更近一層”。具體來(lái)說(shuō)，這種新型復(fù)合材料通過(guò)充電或者汽車(chē)剎車(chē)補(bǔ)充電力，因此，它可為電動(dòng)汽車(chē)提供3秒內(nèi)從0加速到97公里/小時(shí)所需的“額外推動(dòng)力”。

與過(guò)去的動(dòng)力電池相比，這種新型復(fù)合材料不僅無(wú)毒還不易燃，因此具備環(huán)保和安全的優(yōu)勢(shì)。并且，它的充放電循環(huán)壽命是傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的10倍?！芭c過(guò)去存在有毒物質(zhì)、易燃有機(jī)電解質(zhì)、低生命周期或性能差等問(wèn)題的方法相比，這是巨大的進(jìn)步?！蓖旭R斯說(shuō)。

電池的重量是電動(dòng)汽車(chē)不容忽視的問(wèn)題，通常它在電動(dòng)汽車(chē)總重量中占30%～40%。該論文共同第一作者、美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生科西克·桑巴斯·庫(kù)馬爾對(duì)媒體表示，“使用這種新型復(fù)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(jìn)一步減輕車(chē)輛重量，同時(shí)保持高拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度。每當(dāng)你減輕重量時(shí)，你就可以增加續(xù)航里程，因此這在電動(dòng)汽車(chē)和航空領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用。”

電極制備和通電復(fù)合材料制造和應(yīng)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(yáng)極的堆疊模式，以及陰極碳纖維墊制造大面積通電復(fù)合材料

這種新型復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域并不局限于電動(dòng)汽車(chē)，該團(tuán)隊(duì)希望將該技術(shù)運(yùn)用到航天器、無(wú)人機(jī)、便攜式及可穿戴設(shè)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在制造衛(wèi)星時(shí)如果使用這種新型復(fù)合材料，可以將衛(wèi)星的整體質(zhì)量變輕。這種優(yōu)勢(shì)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(shí)間內(nèi)即可充電的特性，也有利于衛(wèi)星圍繞地球的運(yùn)行。

下一步，該團(tuán)隊(duì)將聚焦于技術(shù)的研發(fā)及進(jìn)一步測(cè)試，以推動(dòng)在該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用落地。據(jù)悉，真正進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用需通過(guò)9級(jí)測(cè)試，而目前該技術(shù)已通過(guò)了5級(jí)測(cè)試，如果未來(lái)在太空中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，則需要6級(jí)測(cè)試。