復(fù)合材料在儲能方面正在取得進(jìn)展，對未來鋰電池行業(yè)有什么重大影響
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-04 19:52
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多功能材料研究步伐的加快有助于推動該技術(shù)走向商業(yè)化。例如，歐盟資助的一個項(xiàng)目“巫師”正在為電動和混合動力電動飛機(jī)的輕型結(jié)構(gòu)儲能材料的研究提供支持。該項(xiàng)目旨在開發(fā)可用于結(jié)構(gòu)電池和結(jié)構(gòu)超級電容器的先進(jìn)材料和技術(shù)。
另一個項(xiàng)目涉及IMDEA材料研究所（西班牙Getafe）的一組研究人員與歐盟資助的一些項(xiàng)目（如巫師項(xiàng)目，包括空客項(xiàng)目）的一些航空航天合作。該小組演示了一種新型的電雙層電容器（EDLC）的結(jié)構(gòu)，這種電容器由薄夾層結(jié)構(gòu)制成。這些結(jié)構(gòu)是交錯的，包括碳納米管（CNT）纖維面紗和注入環(huán)氧樹脂的碳纖維層之間的離子型、液基聚合物電解質(zhì)。JuanJoseVilatela博士是多功能納米復(fù)合材料小組的成員之一，他說，該項(xiàng)目生產(chǎn)的復(fù)合材料對于分別達(dá)到88mf/g和30wh/kg的高比電容和功率密度是值得注意的。這比性能最好的結(jié)構(gòu)材料高一到三個數(shù)量級。該材料的能量密度也為37.5Wh/kg，是目前研究的結(jié)構(gòu)超級電容器的最高測量值之一。
Vilatela說，碳納米管具有比碳纖維織物大1000倍的表面積的固有優(yōu)勢。碳納米管還具有很高的電化學(xué)穩(wěn)定性。為了制造EDLC復(fù)合材料，在八層（4+4）Hexcel（Stamford，CT，US）Hexforce高強(qiáng)度碳纖維織物（G0926）之間設(shè)置一個薄的EDLC夾層，真空注入由AshlandChemical（Columbus，OH，US）提供的環(huán)氧乙烯基酯樹脂Derakane8084，并在48小時內(nèi)完全固化。室溫。中間層由一個夾層結(jié)構(gòu)組成，該夾層結(jié)構(gòu)從中間向外包括一個約100-120微米厚的聚合物電解質(zhì)膜，設(shè)置在兩個CNT纖維板之間，兩個CNT纖維板都固定在薄鋁集流板上。以鐵、硫催化劑和丁烷為碳源，采用直接紡絲法合成了碳納米管纖維。
在定位在碳纖維織物的外層之間之前，向夾層施加少量壓力，以將軟電解質(zhì)膜浸漬到多孔CNT纖維板中。本研究所制備的EDLC樣品約為4平方厘米（典型層壓板結(jié)構(gòu)梁的尺寸），盡管Vilatela說，自立式EDLCS可在不需要額外結(jié)構(gòu)支撐的情況下使用，但其尺寸可高達(dá)100平方厘米。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中EDLC樣品的現(xiàn)場機(jī)電測量表明，電化學(xué)性能一直保持到斷裂點(diǎn)?？紤]到該材料作為一種結(jié)構(gòu)和儲能材料的應(yīng)用，該試驗(yàn)是對其性能的關(guān)鍵驗(yàn)證。
IMDEA集團(tuán)使用單向CNT織物建造SSC，將該項(xiàng)目與使用各種“活性”碳纖維織物作為儲能材料的類似并行工作區(qū)分開來。Vilatela等人引用的一個這樣的項(xiàng)目。發(fā)表在科學(xué)報(bào)告（2018年2月）上的論文，使用注入技術(shù)在碳纖維織物周圍生長高比表面積碳?xì)饽z（CAG）。結(jié)合含有10%鋰離子的乙二醇基質(zhì)，該技術(shù)產(chǎn)生的材料的計(jì)算能量密度僅為0.84mwhkg，與包含CNT纖維的EDLC獲得的能量密度相比，該材料的能量密度較低。這項(xiàng)技術(shù)，特別是在使用高比表面積復(fù)合材料時，產(chǎn)生了一種剪切模量為895兆帕的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相當(dāng)。相比之下，IMDEA研究中的CNT復(fù)合材料的彎曲模量為60gpa，彎曲強(qiáng)度為153mpa，其值與典型的未填充聚酰亞胺相當(dāng)，低于主要結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用的復(fù)合材料所需的強(qiáng)度和剛度特性。
每一個項(xiàng)目的結(jié)果都表明，在廣泛的筆觸中，開發(fā)完全商業(yè)化的多功能材料所面臨的挑戰(zhàn)之一，該材料適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：即，很難建造具有足夠電氣和結(jié)構(gòu)性能的復(fù)合材料。
柯林斯認(rèn)為，目前結(jié)構(gòu)和電氣性能之間的權(quán)衡不會成為該技術(shù)采用和商業(yè)化的主要障礙。他說：“我不認(rèn)為這些新型復(fù)合儲能材料結(jié)構(gòu)性能的下降會限制其有效性，因?yàn)榧词剐阅苌圆畹奶祭w維增強(qiáng)材料，其強(qiáng)度和剛度仍足以在某些應(yīng)用中發(fā)揮作用。”更大的問題，他認(rèn)為，是如何設(shè)計(jì)和機(jī)械地整合固體聚合物電極和電絕緣但離子導(dǎo)電的分離器的問題。其他挑戰(zhàn)包括經(jīng)濟(jì)有效的制造和安全。
汽車能源技術(shù)領(lǐng)先
然而，在汽車比賽中，先進(jìn)材料儲能的未來已經(jīng)到來。自2014年以來，第一款全電動FIA賽車系列的E級方程式賽車采用先進(jìn)的多功能復(fù)合材料800V結(jié)構(gòu)電池供電。電池技術(shù)是由威廉斯先進(jìn)工程公司（英國格羅夫）開發(fā)和制造的，該公司是為E級方程式電網(wǎng)制造汽車電池的唯一供應(yīng)商。典型的E級方程式賽車大約有250馬力（190千瓦），可以在3秒內(nèi)從0加速到100公里小時（0到62英里小時），最大速度為225公里/小時（140英里/小時）。有關(guān)威廉斯高級工程公司（WilliamsAdvancedEngineering）用于消費(fèi)類車輛的結(jié)構(gòu)電池系統(tǒng)（如電池電動FW-EVX）的更多信息，請參見CW2018年11月的《專注于設(shè)計(jì)故事》（FocusonDesignStory）“推動電動汽車向前發(fā)展”（PushingEVSForward）。
另一方面，現(xiàn)代汽車集團(tuán)（韓國首爾）正利用SGL集團(tuán)（德國威斯巴登）提供的氫燃料電池技術(shù)制造其零排放汽車Nexo。這輛生產(chǎn)型汽車涵蓋了汽車制造商和SGL多年的開發(fā)工作和合作，在此期間，現(xiàn)代優(yōu)化了Ix35示范燃料電池汽車上的氫動力傳動系統(tǒng)和其他部件。自2018年3月開始生產(chǎn)以來，現(xiàn)代已報(bào)告平均每月銷售約45輛，如果能夠保持這種速度，那么將在2018年達(dá)到500輛以上的銷量，這是氫燃料電池汽車新的一年銷售記錄。
NEXO的核心技術(shù)是Sigracet燃料電池，一種由SGL開發(fā)和銷售的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）通過將氫燃料轉(zhuǎn)化為電能來產(chǎn)生電化學(xué)動力，其副產(chǎn)品只有水和熱。單個PEMFC電池由兩個流場組成，包括兩個氣體擴(kuò)散層（GDL）和兩個碳支撐的貴金屬催化劑層，每個層由質(zhì)子交換膜隔開。反過來，GDL是一種雙層結(jié)構(gòu)，由大孔背襯材料（碳纖維紙）和微孔碳基層組成。膜電極組件被構(gòu)建為一個分層的層壓板，其中一個GDL作為陽極，另一個GDL層作為陰極。PEMFC夾在由石墨、涂層鋼或鈦制成的兩個雙極板（BPP）之間。BPP構(gòu)成了煙囪的結(jié)構(gòu)部件，并且設(shè)計(jì)有通道來容納冷卻劑流和水出口。汽車PEMFC系統(tǒng)通常由多達(dá)400個電池組組成，功率輸出約為80至120千瓦。
復(fù)合材料在儲能方面正在取得進(jìn)展，但要使更清潔、更輕的能源成為大規(guī)模的現(xiàn)實(shí)，將取決于在燃料電池、結(jié)構(gòu)電池和結(jié)構(gòu)超級電容器等先進(jìn)技術(shù)方面的細(xì)節(jié)。
IDTechEx研究并評價了多種多功能聚合物復(fù)合材料的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）。評級系統(tǒng)基于一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括研究是否仍然主要是學(xué)術(shù)性的（產(chǎn)生較低的評級），技術(shù)是否正在原型化或測試（產(chǎn)生較高的評級），或者技術(shù)是否達(dá)到商業(yè)化（最高評級）。數(shù)據(jù)挖掘表明，根據(jù)IDTechEx的標(biāo)準(zhǔn)，用于儲能和儲能的多功能材料仍處于相對早期的開發(fā)階段——略高于自愈材料和完全嵌入的電路，但落后于電力傳輸和嵌入式傳感器?？铝炙怪赋觯?ldquo;例如，當(dāng)你觀察SSC的電極時，其中一個挑戰(zhàn)就是如何適當(dāng)?shù)馗纳票砻娣e。”“CNT顯示出了承諾，但仍有辦法在商業(yè)上證明這一點(diǎn)。”
另一個項(xiàng)目涉及IMDEA材料研究所（西班牙Getafe）的一組研究人員與歐盟資助的一些項(xiàng)目（如巫師項(xiàng)目，包括空客項(xiàng)目）的一些航空航天合作。該小組演示了一種新型的電雙層電容器（EDLC）的結(jié)構(gòu)，這種電容器由薄夾層結(jié)構(gòu)制成。這些結(jié)構(gòu)是交錯的，包括碳納米管（CNT）纖維面紗和注入環(huán)氧樹脂的碳纖維層之間的離子型、液基聚合物電解質(zhì)。JuanJoseVilatela博士是多功能納米復(fù)合材料小組的成員之一，他說，該項(xiàng)目生產(chǎn)的復(fù)合材料對于分別達(dá)到88mf/g和30wh/kg的高比電容和功率密度是值得注意的。這比性能最好的結(jié)構(gòu)材料高一到三個數(shù)量級。該材料的能量密度也為37.5Wh/kg，是目前研究的結(jié)構(gòu)超級電容器的最高測量值之一。
Vilatela說，碳納米管具有比碳纖維織物大1000倍的表面積的固有優(yōu)勢。碳納米管還具有很高的電化學(xué)穩(wěn)定性。為了制造EDLC復(fù)合材料，在八層（4+4）Hexcel（Stamford，CT，US）Hexforce高強(qiáng)度碳纖維織物（G0926）之間設(shè)置一個薄的EDLC夾層，真空注入由AshlandChemical（Columbus，OH，US）提供的環(huán)氧乙烯基酯樹脂Derakane8084，并在48小時內(nèi)完全固化。室溫。中間層由一個夾層結(jié)構(gòu)組成，該夾層結(jié)構(gòu)從中間向外包括一個約100-120微米厚的聚合物電解質(zhì)膜，設(shè)置在兩個CNT纖維板之間，兩個CNT纖維板都固定在薄鋁集流板上。以鐵、硫催化劑和丁烷為碳源，采用直接紡絲法合成了碳納米管纖維。
在定位在碳纖維織物的外層之間之前，向夾層施加少量壓力，以將軟電解質(zhì)膜浸漬到多孔CNT纖維板中。本研究所制備的EDLC樣品約為4平方厘米（典型層壓板結(jié)構(gòu)梁的尺寸），盡管Vilatela說，自立式EDLCS可在不需要額外結(jié)構(gòu)支撐的情況下使用，但其尺寸可高達(dá)100平方厘米。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中EDLC樣品的現(xiàn)場機(jī)電測量表明，電化學(xué)性能一直保持到斷裂點(diǎn)?？紤]到該材料作為一種結(jié)構(gòu)和儲能材料的應(yīng)用，該試驗(yàn)是對其性能的關(guān)鍵驗(yàn)證。
IMDEA集團(tuán)使用單向CNT織物建造SSC，將該項(xiàng)目與使用各種“活性”碳纖維織物作為儲能材料的類似并行工作區(qū)分開來。Vilatela等人引用的一個這樣的項(xiàng)目。發(fā)表在科學(xué)報(bào)告（2018年2月）上的論文，使用注入技術(shù)在碳纖維織物周圍生長高比表面積碳?xì)饽z（CAG）。結(jié)合含有10%鋰離子的乙二醇基質(zhì)，該技術(shù)產(chǎn)生的材料的計(jì)算能量密度僅為0.84mwhkg，與包含CNT纖維的EDLC獲得的能量密度相比，該材料的能量密度較低。這項(xiàng)技術(shù)，特別是在使用高比表面積復(fù)合材料時，產(chǎn)生了一種剪切模量為895兆帕的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相當(dāng)。相比之下，IMDEA研究中的CNT復(fù)合材料的彎曲模量為60gpa，彎曲強(qiáng)度為153mpa，其值與典型的未填充聚酰亞胺相當(dāng)，低于主要結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用的復(fù)合材料所需的強(qiáng)度和剛度特性。
每一個項(xiàng)目的結(jié)果都表明，在廣泛的筆觸中，開發(fā)完全商業(yè)化的多功能材料所面臨的挑戰(zhàn)之一，該材料適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：即，很難建造具有足夠電氣和結(jié)構(gòu)性能的復(fù)合材料。
柯林斯認(rèn)為，目前結(jié)構(gòu)和電氣性能之間的權(quán)衡不會成為該技術(shù)采用和商業(yè)化的主要障礙。他說：“我不認(rèn)為這些新型復(fù)合儲能材料結(jié)構(gòu)性能的下降會限制其有效性，因?yàn)榧词剐阅苌圆畹奶祭w維增強(qiáng)材料，其強(qiáng)度和剛度仍足以在某些應(yīng)用中發(fā)揮作用。”更大的問題，他認(rèn)為，是如何設(shè)計(jì)和機(jī)械地整合固體聚合物電極和電絕緣但離子導(dǎo)電的分離器的問題。其他挑戰(zhàn)包括經(jīng)濟(jì)有效的制造和安全。
汽車能源技術(shù)領(lǐng)先
然而，在汽車比賽中，先進(jìn)材料儲能的未來已經(jīng)到來。自2014年以來，第一款全電動FIA賽車系列的E級方程式賽車采用先進(jìn)的多功能復(fù)合材料800V結(jié)構(gòu)電池供電。電池技術(shù)是由威廉斯先進(jìn)工程公司（英國格羅夫）開發(fā)和制造的，該公司是為E級方程式電網(wǎng)制造汽車電池的唯一供應(yīng)商。典型的E級方程式賽車大約有250馬力（190千瓦），可以在3秒內(nèi)從0加速到100公里小時（0到62英里小時），最大速度為225公里/小時（140英里/小時）。有關(guān)威廉斯高級工程公司（WilliamsAdvancedEngineering）用于消費(fèi)類車輛的結(jié)構(gòu)電池系統(tǒng)（如電池電動FW-EVX）的更多信息，請參見CW2018年11月的《專注于設(shè)計(jì)故事》（FocusonDesignStory）“推動電動汽車向前發(fā)展”（PushingEVSForward）。
另一方面，現(xiàn)代汽車集團(tuán)（韓國首爾）正利用SGL集團(tuán)（德國威斯巴登）提供的氫燃料電池技術(shù)制造其零排放汽車Nexo。這輛生產(chǎn)型汽車涵蓋了汽車制造商和SGL多年的開發(fā)工作和合作，在此期間，現(xiàn)代優(yōu)化了Ix35示范燃料電池汽車上的氫動力傳動系統(tǒng)和其他部件。自2018年3月開始生產(chǎn)以來，現(xiàn)代已報(bào)告平均每月銷售約45輛，如果能夠保持這種速度，那么將在2018年達(dá)到500輛以上的銷量，這是氫燃料電池汽車新的一年銷售記錄。
NEXO的核心技術(shù)是Sigracet燃料電池，一種由SGL開發(fā)和銷售的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）通過將氫燃料轉(zhuǎn)化為電能來產(chǎn)生電化學(xué)動力，其副產(chǎn)品只有水和熱。單個PEMFC電池由兩個流場組成，包括兩個氣體擴(kuò)散層（GDL）和兩個碳支撐的貴金屬催化劑層，每個層由質(zhì)子交換膜隔開。反過來，GDL是一種雙層結(jié)構(gòu)，由大孔背襯材料（碳纖維紙）和微孔碳基層組成。膜電極組件被構(gòu)建為一個分層的層壓板，其中一個GDL作為陽極，另一個GDL層作為陰極。PEMFC夾在由石墨、涂層鋼或鈦制成的兩個雙極板（BPP）之間。BPP構(gòu)成了煙囪的結(jié)構(gòu)部件，并且設(shè)計(jì)有通道來容納冷卻劑流和水出口。汽車PEMFC系統(tǒng)通常由多達(dá)400個電池組組成，功率輸出約為80至120千瓦。
復(fù)合材料在儲能方面正在取得進(jìn)展，但要使更清潔、更輕的能源成為大規(guī)模的現(xiàn)實(shí)，將取決于在燃料電池、結(jié)構(gòu)電池和結(jié)構(gòu)超級電容器等先進(jìn)技術(shù)方面的細(xì)節(jié)。
IDTechEx研究并評價了多種多功能聚合物復(fù)合材料的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）。評級系統(tǒng)基于一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括研究是否仍然主要是學(xué)術(shù)性的（產(chǎn)生較低的評級），技術(shù)是否正在原型化或測試（產(chǎn)生較高的評級），或者技術(shù)是否達(dá)到商業(yè)化（最高評級）。數(shù)據(jù)挖掘表明，根據(jù)IDTechEx的標(biāo)準(zhǔn)，用于儲能和儲能的多功能材料仍處于相對早期的開發(fā)階段——略高于自愈材料和完全嵌入的電路，但落后于電力傳輸和嵌入式傳感器?？铝炙怪赋觯?ldquo;例如，當(dāng)你觀察SSC的電極時，其中一個挑戰(zhàn)就是如何適當(dāng)?shù)馗纳票砻娣e。”“CNT顯示出了承諾，但仍有辦法在商業(yè)上證明這一點(diǎn)。”
