物理世界|结构电池为多功能材料带来的测试挑战

随着电池技术的持续进步，电动汽车首次成为化石燃料汽车的可行替代品。然而，为了推动电动汽车的普及（特别是改进储能设备设计，以提升电动汽车的单次充电可行驶里程）并将电气化解决方案扩展至航空等其他交通方式，进一步创新至关重要。

德克萨斯州农工大学Jodie Lutkenhaus团队正在探索一种新方法，即将电池和超级电容器集成到车辆承载结构中。这种结构储能设备可以在不增加额外重量的情况下提供更多动力，从而提高电动汽车的燃油效率，并有望为飞机提供二级动力源。“例如在商用客机中，嵌入地板的电池可以为机舱内的触摸屏和其他电气设备供电，”Lutkenhaus解释道。“总体而言，它可以提高燃油效率，因为你无需使用太多能源为电气部件供电。”

这些结构装置所需的多功能材料必须具备前所未有的组合性能。大多数电极材料呈粉末状，其孔隙率足以确保离子的有效传输，而结构部件需要具备一定的刚度和强度。“我们正在尝试通过模仿由碳纤维增强环氧树脂制成的结构复合材料，制造出性能相似的电池和电容器，”Lutkenhaus解释道。“我们使用石墨烯和Kevlar纳米纤维等添加剂来提高刚度，但它们不是很活跃。这些添加剂会削弱有利于机械性能的类似电池行为。”

Lutkenhaus团队利用界面化学解决了这个问题，通过增强添加剂和电极材料之间的结合力，从而减少增强材料所需的添加剂量。在最近一项研究中，他们证明了由还原氧化石墨烯（rGO）制成的超级电容器可以通过使用聚多巴胺（一种高粘性聚合物）对结构进行化学改性，然后添加少量Kevlar纳米纤维来增强材料。Lutkenhaus说：“只需撒上一点纳米纤维，机械性能就会提升。”

评估多功能材料的性能需要一套全面测试。为探测电极的机械性能，Lutkenhaus团队使用了美国热分析仪器公司（TA Instruments）的动态机械分析仪（DMA）。该分析仪最常用于测量随温度变化或施加应力或应变时机械性能所产生的变化。“我们更多地将它用作拉伸测试仪，这一做法并不常见，”Lutkenhaus说道。“我们使用DMA是因为电池电极非常薄，厚度大约为100微米。DMA提供了一种薄膜和纤维夹装置，可用于测量模量、韧性和极限应力等性能。”

测试时间：Jodie Lutkenhaus及其团队利用动态机械分析仪测量用Kevlar纳米纤维增强的石墨烯电极拉伸强度（来源：J Lutkenhaus提供）

测试表明，如果在改性rGO电极中添加10%重量的Kevlar纳米纤维，结构可表现出近200 MPa的拉伸强度和超过10 MPa的杨氏模量，这与木材或骨头等天然材料的机械性能相似。早期研究需要更高浓度的纳米纤维才能达到相同的强度和刚度，但在本研究中，rGO电极的化学改性使电容增加了23%，同时仍然保持相当的机械性能。

Lutkenhaus团队还使用Kevlar纳米纤维设计电池隔膜，在阳极和阴极之间提供物理屏障防止短路，但仍需让离子在两者之间移动。“电池隔膜很难设计，”Lutkenhaus说。“它们需要具备前所未有的组合性能，包括良好的离子电导率、机械强度和较大温度范围内的热稳定性。”

Lutkenhaus指出，锂离子电池中最常见的商用隔膜Celgard在较高温度下会开始分解。“这种材料会经历熔化或软化的转变，最 终导致电池失效，”她解释道。“在我们的研究中，需要确定任何可能限制电池工作温度的热转变情况。”

Lutkenhaus团队将标准Celgard隔膜的热性能与基于Kevlar纳米纤维的隔膜进行了比较。为测量热行为，他们使用TA仪器的差示扫描量热仪（DSC）测量了在不同温度下改变材料温度所需的热量。DSC曲线显示，Celgard在160°C左右开始熔化，冷却后在113°C再结晶，符合他们的预期。相比之下，基于Kevlar的隔膜在高达400°C的温度下热行为并无变化。Lutkenhaus说，“不同以往，你在做实验时希望得到一条平坦的线，因为你不想观察到任何热特征。”

其他测试研究了隔膜物理结构开始分解的温度。研究人员使用TA仪器的热重分析仪（TGA）测量了样品质量随温度升高的变化。他们发现，Celgard在270°C左右质量开始减少，而基于Kevlar的隔膜可以加热到近乎450°C也不出现任何分解迹象。研究人员还发现，Kevlar纳米纤维遇火时会自熄，这是一项重要的电池安全特性。然而，商用Celgard隔膜在干燥条件下会收缩，在被电解质润湿时会完全燃烧。

使用DMA进行的机械测试表明，在干燥条件下，基于Kevlar的隔膜杨氏模量是商用Celgard 隔膜的约1000倍，在潮湿时二者具有大致相当的强度和刚度。同时，探测材料在恒定应力下机械行为的蠕变测量表明，Celgard隔膜在较高温度下会伸展，这与在其热曲线中观察到的熔化和软化效应一致。

Lutkenhaus说，“基于Kevlar的隔膜在高达400°C的温度下不会出现任何变形，再次展现出比商用隔膜更好的热稳定性。”

Lutkenhaus认为，由于基于Kevlar纳米纤维的隔膜具有卓 越的热性能，因此适用于在极端环境中运行的储能设备。然而，与Celgard隔膜相比，将基于Kevlar的隔膜集成到锂离子电池中会导致容量略有下降，并且在50次充放电循环后容量会出现显著下降，所以还需要做更多研究来提高其电化学性能。

Lutkenhaus团队目前还在研究常用于结构复合材料的碳纤维作为电池材料机械基体的潜力。将电极材料嵌入碳纤维中已被证明可以制造出具有一定刚度和强度的设备，但其储存的能量还不足以与常规锂离子电池相媲美。“我们对热行为也很感兴趣，因为需要安装结构电池的车辆可能会在较低温度或高温沙漠中行驶，”Lutkenhaus说。

“此外，我们还应开始考虑机械冲击对这些设备的影响，以了解它们在意外事故中的表现。”