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近年來，隨著全球能源儲量逐漸微縮以及全社會環(huán)保意識的提高，新能源汽車越來越受到公眾的關(guān)注，甚至一些國家和地區(qū)已經(jīng)制定計劃在未來完全取消燃油汽車的銷售。而電動汽車則成了新能源汽車中最具實用價值的一類，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。
文 | 梅林
視覺設(shè)計 | 夏夢
我們都知道，電動車需要需要接通電源充電，而尋找充電樁在當下卻成了限制電動汽車使用的一個主要因素 —— 曾經(jīng)駕駛過電動汽車的朋友應(yīng)該都有過“到處尋找充電樁而不得”的煩惱吧。另一個限制電動汽車使用的因素就是它的續(xù)航能力，同燃油汽車相比，電動汽車由于電池電量的限制，充滿一次電的續(xù)航里程有限。沒電了就得再次充電，這不又回到“尋找充電樁”的問題了。
因此，很多科學家都在嘗試尋找新的供電方式 —— 既能保證供電，又能提升電動汽車的續(xù)航里程，還便于使用。
另辟蹊徑：超級電容器替代電池
也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提升電動汽車的實用性，電池是關(guān)鍵?？茖W家為此也大都把關(guān)注的焦點聚焦在電池上。傳統(tǒng)的電動汽車電池都位于車輛的底盤上，由于底盤空間有限，所以安置電池的數(shù)量也有限，影響了電動汽車的續(xù)航里程。
一些科學家決定另辟蹊徑 —— 他們設(shè)想用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超級電容器（簡稱結(jié)構(gòu)電容）取代電池為電動汽車供電。同電池相比，超級電容器具有充放電速率高的特點。
結(jié)構(gòu)電容是一種集承載和儲能于一體的元件。換句話說，這種元件既能用于制作電動汽車的車體，承載車體和各種部件的重量，又能用來儲存電能，為電動汽車供電。目前，多數(shù)研究都僅限于理論，很少有做出實際元件的。通過實驗研究，科學家此前設(shè)計的這些結(jié)構(gòu)電容無論在力學強度上，還是在電化學性能上，都表現(xiàn)得很差，完全不能滿足為電動汽車供電的需要。
這是不是說，這種新路徑走不通，連試驗都通過不了？其實也不必如此悲觀。香港理工大學和南方科技大學的科學家已經(jīng)找到了解決問題的方案。
此前設(shè)計的結(jié)構(gòu)電容之所以表現(xiàn)差，是因為制作結(jié)構(gòu)電容的材料的力學性能和離子導電率不能滿足需要。為了解決這個問題，研究團隊設(shè)計了一種新式結(jié)構(gòu)：采用離子導電率較高的凝膠電解質(zhì)，并用經(jīng)特殊處理的碳布（一種碳纖維織物）充電電極，制成結(jié)構(gòu)電容的柔性儲能器件；然后同環(huán)氧樹脂材料（提供力學支撐作用）層疊交替放置，待環(huán)氧樹脂固化，碳纖維結(jié)構(gòu)電容就制成了。
為了測試這種碳纖維結(jié)構(gòu)電容的性能，研究團隊對結(jié)構(gòu)電容做了了力學-電化學雙場耦合測試，即在外力作用下測試電化學性能，以探究在外力作用下結(jié)構(gòu)電容電化學性能的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，在靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷下，碳纖維結(jié)構(gòu)電容充放電性能都表現(xiàn)得十分穩(wěn)定，能夠滿足承載與儲能結(jié)合于一體的設(shè)計需要。
未來的電動汽車本身就是“電池”？
這項研究還處在實驗室研究和概念設(shè)計階段，理論要與實踐相結(jié)合，這樣的基礎(chǔ)研究到底有沒有實踐意義呢？其實，距離這項研究成果指導電動汽車設(shè)計與制造的實踐還有很長一段路要走。
而且，如今各種新材料層出不窮，但柔性電解質(zhì)的相關(guān)研究仍有些欠缺，諸如如何平衡力學強度和離子導電率這樣的問題，科學家還需進一步的研究。此外，提升結(jié)構(gòu)電容儲存電能的能力也至關(guān)重要，畢竟它取代的是電池?？偟膩碚f，這種集承載與儲能于一體的結(jié)構(gòu)電容還是非常有潛力與應(yīng)用前景的。
以碳纖維結(jié)構(gòu)電容為材料制作的電動汽車模型（視頻來源于該項目團隊）
前面已經(jīng)提過，結(jié)構(gòu)電容最大的特點就是將承載與儲能結(jié)合于一體，也就是說，用這種材料制成的電動汽車自己本身就是“電池”。
未來，結(jié)構(gòu)電池可用于制備汽車的底盤、車身、發(fā)動機蓋等所有的車身結(jié)構(gòu)，這樣車身在保持力學強度的同時，也能為電動汽車供電 —— 大大降低了電動汽車的整體重量，并增加了電動汽車的續(xù)航里程。
此外，這種結(jié)構(gòu)電容還能應(yīng)用于無人機、無人船、飛機、航天器、軌道交通（比如地鐵）、便攜式電子設(shè)備（比如手機）和建筑等領(lǐng)域中。
參考文獻：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140222
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