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能够同时用于制造和驱动电动汽车的多功能材料

2010年4月26日/《经济学人》在线版

与其他电动铁马相比，特斯拉跑车堪称赤兔（a hot rod）。这辆双座跑车每次充电足可行驶令人印象深刻的380公里（236英里），从0加速到每小时96公里更只需3.9秒。当然良品从来需代价，其 1200千克（2645英磅）的车体中有整整450千克的重量被电池占据。

尽管电池科技日新月异，但其重量和大小仍然给电动和混合动力车拖了后腿，迫使制造商想出各种别出心裁的方法来分散重量和释放空间。研究者正在探索的其中一种解决办法是利用复合材料制造车体：一种可以同时储存电能的复合碳。这样，汽车设计师就可以把车体构架和电功能结合在一起。

复合碳材料质轻而坚韧，已经在从网球拍到飞机机翼的广大范围内得到应用。一些超级跑车在制造时加入了这类材料，但是总的来说，复合碳还是过于昂贵而不适合量产车。然而，由于可以用于储能这项额外的能力，复合碳材料在汽车制造业者眼中魅惑倍增，伦敦帝国理工学院的埃米尔·格林浩尔如此说道，由格林浩尔领导的这项研究是欧盟的一项被称为STORAGE的大型计划的一部分，旨在把各种不同的电池材料融入汽车车体中。这项工作在学界和产业中的合作者包括希望借此扩大无人机作战半径的英国国防部以及沃尔沃公司。

与传统复合材料类似，格林浩尔博士研发的材料也由经凝固树脂硬化的碳纤维密织而成。为了让这种材料具有储电功能，两层纤维中添加了一层薄薄的绝缘玻璃材料，做成夹层结构。碳纤维层中添加的树脂混以锂离子，这样一来每层材料都成为一个电极，能使活泼易变的锂离子在加上电压时保持在同一层材料中，也令夹层结构在形成回路时能让电流顺利通过。所有这些材料都被层层封裹，以保证材料表面绝缘。

严格来说这种复合材料与电池并不相似，而更像是一个电容器，或者说是个超级电容器，格林浩尔博士说道。电池能够很好地储存大量电能，但传导很慢；电容器却正好相反。超级电容器有较大的内部表层区域以令大量的电能迅速地传导，在一些电动汽车上用于为瞬间加速提供短时爆发性的力量，在混合动力车方面用于在制动时回复能量。

为了在复合碳材料上获取与电容器相似的性质，这种碳纤维首先经过碱化学处理以令其表面生成许多细微的凹点。这样可以极大地扩张其表面积，增加电荷负载，又不会降低材料的机械强度。

另一个挑战在于解决对树脂材料的两种截然相反的要求。“材料要坚韧稳定，但从通电的角度看也需要让电离子顺利通过，”格林浩尔博士说。传统的树脂材料通常只能满足其中一方面的要求。格林浩尔的解决办法是使用一种凝胶状的树脂聚合物，这种树脂结合了两种相互交错的网状结构，其中之一将材料紧固在一起，另一种具有可以让带电粒子顺利通过的导管。

这样做的成果就是一种能量密度达到每千克0.005瓦时的材料。这和许多电动汽车使用的锂电池的每千克128瓦时相比显然算不了什么。但这只是千里征程第一步，格林浩尔博士说。增加运行电压将能显著提高这种复合材料的能量密度。如果在纤维上覆以碳纳米管，预计在明年末这种材料的能量密度至少能达到每千克 20瓦时。

使用一物两用的材料对汽车制造业来说前景无限，哥德堡沃尔沃材料研发实验室的高级工程师 Per-Ivar Sellergren说道。他说，如果复合材料的储电能力能够提升至目前锂电池的水平，只需要用其制造车顶、发动机罩和行李箱盖就可以驱动一辆电动汽车行驶130公里。

格林浩尔说，多功能复合材料也能降低汽车的总配线数，举例来说，可以用制造尾箱的材料来给汽车尾灯提供能源。某些设备，比如卫星导航系统，也可以用其放置于内的置物箱材料中的电能来驱动。而且，和大部分可充电式电池相比，超级电容器有更长的工作寿命，长期来看更显优势。大多数电动汽车的车主可不愿意在购车后不久就花上几千美元来替换废旧的电池组。