为电动车辆和宇宙飞船设计充电的“动力套装”

作者:本刊编译 发布时间:2022-04-06
美国中佛罗里达大学(简称UCF)的研究人员们利用NASA的先进技术,为电动汽车开发了一种动力套装,它与钢一样坚固,比铝轻,有助于提高车辆的功率容量。基于在纳米尺度上的独特设计,该动力套装由多层碳纤维复合材料制成。


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美国中佛罗里达大学的研究人员们利用NASA的先进技术,为电动汽车开发了一种动力套装,它与钢一样坚固,比铝轻,有助于提高车辆的功率容量

这项技术进展最近以封面故事的形式被发表在《Small》杂志上。它可以应用于一系列需要轻量化动力源的技术中,从电动交通工具到宇宙飞船、飞机、无人机、便携式设备和可穿戴技术等。

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这项技术进展最近以封面故事的形式被发表在《Small》杂志上

“我们的想法是利用车身外壳来储存能量并为蓄电池补充能量。”这项研究的合著者、UCF的纳米科学技术中心及材料科学与工程学院的团队负责人、教授Jayan Thomas说道,“这种复合材料的优点是能够减轻汽车重量,延长每次充电的续航里程。它与钢一样坚固,甚至更加坚固,但却更轻质。”

当被用作车身外壳时,这种材料能够将电动汽车的续航里程延长25%,意味着一辆每次充电可续航200英里的汽车能够多运行50英里,同时还降低了整体重量。

作为一个超级电容器,它还能够提高电动汽车的动力,赋予其在3秒内实现0~60 英里/小时加速所需的额外推力。这些材料可以用作立方体卫星的框架、外星生物栖息地的结构,甚至可以作为未来眼镜的一部分,比如混合虚拟现实耳机。

“经济中以及面向未来的太空探索有很多潜在的注入点。”这项研究的合著者、NASA肯尼迪航天中心研究及发展高级学术带头人Luke Roberson Roberson说道,“在我看来,这是让我们达到NASA任务所需要的技术就绪指数的巨大进步。”

“在汽车上,这种超级电容器复合材料可以像电池那样通过充电以及在刹车时获得能量。”Thomas说道,“它的充放电循环寿命是电动汽车电池的10倍。所用的材料也无毒且不可燃,一旦发生事故,这对乘客的安全是非常重要的。”

由于采用多层碳纤维的独特设计,这种材料具有抵御汽车碰撞的显著的抗冲击强度和抗弯强度, 以及显著的拉伸强度。

为制造这种材料,研究人员们创造出带正负电荷的碳纤维层,当以交替的方式堆叠和连接时, 就创造出了强大的储能复合材料。

附着在碳纤维层上的纳米尺度的石墨烯薄片允许增加电荷储存能力,而沉积在附着电极上的金属氧化物提高了电压并提供了更高的能力密度,这就为这种超级电容器-电池混合物提供了前所未有的能量储存能力和充电生命周期。

这项研究的主要作者、Thomas实验室中主要从事复合材料的成型、塑形和优化研究的博士生Deepak Pandey开发了在碳石墨烯带上添加金属氧化物的方法。这项研究的合著者、Thomas实验室的博士生Kowsik Sambath Kumar发明了一种在碳纤维电极上垂直排列纳米石墨烯的方法。Kumar表示,这种超级电容器复合材料最重要的进展之一是它的轻量化。“在现在的电动汽车中,电池重量约占30%~40%。”他说,“有了这种储能复合材料,我们可以在不增加电池重量的情况下延长续航里程,同时还能进一步减轻车辆的重量,并保持较高的拉伸、弯曲和冲击强度。因此,这在电动汽车和航空领域都有着巨大的应用机遇。”

Pandey Pandey 同意并强调了它对太空领域的有用性。“用这种复合材料制造一颗立方体卫星,将使卫星的重量更轻并有助于消除沉重的电池包。” Pandey 说道,“这样,每次发射可以节省数千美元。此外,通过移除大型电池而获得的多余体积有助于安装更多的传感器和测试设备,增加卫星的功能。这种超级电容器-电池混合物的特性,对立方体卫星而言是理想的选择,因为当卫星在太阳照射的地球一侧的轨道上运行时,它可以在几分钟内充满电。”

Roberson 介绍说,这项技术目前的技术就绪指数是5,意味着在进入真实环境进行测试之前,它已在相关环境中测试过,比如太空飞行将是第六级测试。要通过最后一级即第九级的测试以达到商业环境应用要求,需要重点围绕商业应用而开展进一步的开发和测试。

这项研究得到了美国国家科学基金的资助。

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