Page 125 - 能源动力工程的发展与展望

第五章 锂离子电池

进展，综述了嵌入集成式（EISB）和多功能复合材料（MCSB）两类 SB 的研究
现状，列举了现阶段 SB 的代表性应用，分析了其存在的问题，在此基础上提出
了全碳纤维固态结构电池的概念及其设计原型。

一、碳纤维复合材料结构锂离子电池

碳纤维复合材料结构锂离子电池的应用意义在于能同时实现结构效率（ΩS）
和能量效率（ΩE）的最大化。定义碳纤维复合材料结构锂离子电池正常工作条

件下的许用应变与构成该系统本身的复合材料应变的比值为其 ΩS；其能量密度
与常规锂离子电池能量密度的比值为其 ΩE。其设计目标是在一定空间域内使
ΩS=ΩE=1。
（一）嵌入集成式结构电池

嵌入集成式结构电池由结构组件与动力电池组件两部分构成，其本质是在
CFRP 的结构设计域内寻找电池的最优分布方式，从而实现 CFRP 的结构 - 功能
一体化。典型的代表是以 CFRP 蒙皮为结构组件，电池位于芯部构成三明治结构
动力组件。与传统的电池箱结构相比，EISB 的优点在于：①结构 - 功能一体化

设计免去了箱体等结构部分的冗余提高了空间利用率；②分布式布置电池有助于
解决热失控带来的安全问题；③在电池性能相同的条件下，结构系统的能量密度
大幅度提高。早期 EISB 储能器件被提出时，许多学者没有明确该器件的研究价
值。因此，为了探究 EISB 带来的增益效果，Thomas 等以微型飞行器为研究对象，

探究了 EISB 对飞行器续航时间的影响。将能量密度为 161W·h/kg 的电池集成
到了机翼部分，将其与使用能量密度为 185W·h/kg 的常规动力电池组的微型飞
行器对比。采用 EISB 飞行器的 ΩS 约为 0.6；ΩE 约为 0.5；续航时间提升了约
10%。经计算分析，当 SB 的能量密度与常规动力电池组能量密度相同时，ΩS

约为 0.7；ΩE 约为 0.8；续航时间可增加 26%。由此证实了 EISB 的应用可以提
高ΩS 和ΩE 实现双优设计，该研究结果为后期对 EISB 研究工作的开展奠定了
基础。EISB 主要可分为 3 种结构形式，分别是层压板结构形式、格栅结构形式、
三明治结构形式。

为了探究三者的力学性能，Thomas 等以碳纤维为蒙皮，电池为芯部一体成
型制成了层压板结构形式；在第一种的基础上在蒙皮和电池中间引入加强肋制成
格栅结构形式；把电池集成在夹心泡沫复合材料芯部的泡沫中制成三明治结构形

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