目前，电动汽车的高速发展面临着充电容量有限、充电里程低和充电时间长等诸多现实的挑战。随着汽车材料的不断迭代与技术的进步，人们试图通过将汽车材料变得越来越耐用、更轻薄等方式来解决该问题。
近日，美国中佛罗里达大学（University of Central Florida，简称UCF）与 NASA 肯尼迪航天中心研究团队合作，研发了一种超级电容器与电池的复合材料。这种新型复合材料集成超级电容器与电池的优势，其刚度性质与钢类似，并且质量比铝更轻，这有利于电动汽车动力容量的提升。
图丨UCF 研究团队展示了他们开发的轻质超级电容器电池混合复合材料，从左至右依次为：科西克·桑巴斯·库马尔（Kowsik Sambath Kumar）、贾扬·托马斯（Jayan Thomas）和迪帕克·潘迪（Deepak Pandey）（来源：UCF 官网）
1 月 25 日，相关论文以《用于电动汽车的储能复合材料：用于车身面板的双功能储能超级电容器基碳纤维复合材料》（Energized Composites for Electric Vehicles: A Dual Function Energy-Storing Supercapacitor-Based Carbon Fiber Composite for the Body Panels）为题，以封面论文的形式发表在 Small。
“这种复合材料的优点是可以减轻电动汽车的重量，并增加每次充电的里程数。我们的想法是，使用汽车外壳来储存能量，以补充储存在电池中的能量。”该论文通讯作者、UCF 纳米科学技术中心和材料科学与工程系教授贾扬·托马斯（Jayan Thomas）说。
图丨相关论文（来源：Small）
具体来看，这种新型复合材料质量轻的优势源于层状碳复合材料，以及其纳米级的特别设计。研究人员将石墨烯片（垂直排列）在碳纤维电极附着，通过这样的结构提升石墨烯的能量存储能力，堆叠与包含金属氧化物的电极相连，以增加设备的电压和能量密度。
也正是因为这种独特的设计，使该复合材料在承受冲击和弯曲强度方面有明显的优势，这种性能的优异性在汽车发生碰撞的情况尤为明显。
图丨Small 当期封面（来源：Small）
此外，该材料有助于电动汽车续航里程的提升。通常，电动汽车的续航里程约为 200 英里（321 公里），而使用这种新型复合材料后，其续航里程或可提升到 250 英里（402 公里），这相当于将电动汽车的续航里程提升了 25%。
并且，超级电容器的另一个优势作用也不容忽视，那就是它可使电动汽车的动力“更近一层”。具体来说，这种新型复合材料通过充电或者汽车刹车补充电力，因此，它可为电动汽车提供 3 秒内从 0 加速到 60 英里/小时（97 公里/小时）所需的“额外推动力”。
图丨电极制备和通电复合材料制造和应用示意图（来源：Small）
与过去的动力电池相比，这种新型复合材料不仅无毒还不易燃，因此具备环保和安全的优势。并且，它的充放电循环寿命是传统电动汽车动力电池的 10 倍。“与过去存在有毒物质、易燃有机电解质、低生命周期或性能差等问题的方法相比，这是巨大的进步。”托马斯说。
电池的重量是电动汽车不容忽视的问题，通常它在电动汽车总重量中占 30% 到 40%。该论文共同第一作者、UCF 材料科学与工程系博士生科西克·桑巴斯·库马尔（Kowsik Sambath Kumar）对媒体表示，“使用这种新型复合材料，我们可以在不增加电池重量的情况下增加行驶里程，进一步减轻车辆重量，同时保持高拉伸、弯曲和冲击强度。每当你减轻重量时，你就可以增加续航里程，因此这在电动汽车和航空领域有着巨大的应用。”
这种新型复合材料的应用领域并不局限于电动汽车，该团队希望将该技术运用到航天器、无人机、便携式及可穿戴设备（如智能眼镜 / VR 头显），甚至在太空环境中的卫星等。
图丨a）交叉编织碳纤维垫上活性材料沉积的奇数和偶数位置图案；b）阳极的堆叠模式，以及阴极碳纤维垫制造大面积通电复合材料（来源：Small）
该团队认为，在制造卫星时如果使用这种新型复合材料，可以将卫星的整体质量变轻。这种优势还能直接体现在降低发射成本上（每次数千美元），并且，在短时间内即可充电的特性，也有利于卫星围绕地球的运行。
下一步，该团队将聚焦于技术的研发及进一步测试，以推动在该技术的产业化应用落地。据悉，真正进入商业应用需通过 9 级测试，而目前该技术已通过了 5 级测试，如果未来在太空中进行实际测试，则需要 6 级测试。
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参考：
https://www.ucf.edu/news/ucf-and-nasa-researchers-design-charged-power-suits-for-electric-vehicles-and-spacecraft/
1.Deepak Pandey et al. Small(2022). https://doi.org/10.1002/smll.202107053
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