（圖片來源：Flickr）

近年來，隨著全球能源儲量逐漸微縮以及全社會環保意識的提高，新能源汽車越來越受到公眾的關注，甚至一些國家和地區已經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，已經廣泛應用于我們的日常生活中。

文 | 梅林

視覺設計 | 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 —— 曾經駕駛過電動汽車的朋友應該都有過“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

也許你已經發現，提升電動汽車的實用性，電池是關鍵。科學家為此也大都把關注的焦點聚焦在電池上。傳統的電動汽車電池都位于車輛的地盤上，由于底盤空間有限，所以安置電池的數量也有限，影響了電動汽車的續航里程。

電動汽車的底盤處配置了發動機、變速箱、傳動系統、懸掛系統等部分，僅夠安置少數幾塊電池。（圖片來源：Tennen-Gas）

一些科學家決定另辟蹊徑 —— 他們設想用復合材料結構超級電容器（簡稱結構電容）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。

結構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，科學家此前設計的這些結構電容無論在力學強度上，還是在電化學性能上，都表現得很差，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找到了解決問題的方案。

此前設計的結構電容之所以表現差，是因為制作結構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，研究團隊設計了一種新式結構：采用離子導電率較高的凝膠電解質，并用經特殊處理的碳布（一種碳纖維織物）充電電極，制成結構電容的柔性儲能器件；然后同環氧樹脂材料（提供力學支撐作用）層疊交替放置，待環氧樹脂固化，碳纖維結構電容就制成了。

碳纖維結構電容的制備過程示意圖。（圖片來源：Elsevier）

為了測試這種碳纖維結構電容的性能，研究團隊對結構電容做了了力學-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構電容電化學性能的穩定性。實驗結果表明，在靜態載荷和動態載荷下，碳纖維結構電容充放電性能都表現得十分穩定，能夠滿足承載與儲能結合于一體的設計需要。

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計階段，理論要與實踐相結合，這樣的基礎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，但柔性電解質的相關研究仍有些欠缺，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，提升結構電容儲存電能的能力也至關重要，畢竟它取代的是電池。總的來說，這種集承載與儲能于一體的結構電容還是非常有潛力與應用前景的。

以碳纖維結構電容為材料制作的電動汽車模型（視頻來源于該項目團隊）

前面已經提過，結構電容最大的特點就是將承載與儲能結合于一體，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，結構電池可用于制備汽車的底盤、車身、發動機蓋等所有的車身結構，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航里程。

此外，這種結構電容還能應用于無人機、無人船、飛機、航天器、軌道交通（比如地鐵）、便攜式電子設備（比如手機）和建筑等領域中。

參考文獻：

• https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140222