優(yōu)化系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于減輕其重量，這一點(diǎn)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中都至關(guān)重要。例如，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，減輕車輛重量能夠顯著提升行駛里程；而在手機(jī)或電動(dòng)工具等便攜式電子設(shè)備中，減輕重量則能增強(qiáng)其便攜性和用戶體驗(yàn)。在這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用碳纖維（CF）復(fù)合材料等高性能材料，是減輕那些對(duì)高比剛度和/或高強(qiáng)度有要求的承重部件重量的有效途徑。然而，結(jié)構(gòu)往往是產(chǎn)品中質(zhì)量占比最大的子系統(tǒng)，而其他功能組件，如儲(chǔ)能單元、嵌入式傳感器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常對(duì)結(jié)構(gòu)而言是附加性的，因?yàn)樗鼈冸m然增加了重量，卻未能為結(jié)構(gòu)提供額外的剛度或強(qiáng)度。通過(guò)將多種功能集成到單一材料中，我們能夠開(kāi)發(fā)出更輕便、資源利用更高效的產(chǎn)品，從而提升能源效率和產(chǎn)品的整體可用性。此外，碳纖維（CF）還展現(xiàn)出其他幾個(gè)引人注目的特性。例如，熱膨脹系數(shù)極低，甚至可能是負(fù)值。CF是導(dǎo)電的，其電阻率大約為10^-3Ωcm，比許多金屬低三個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得CF能夠作為儲(chǔ)能設(shè)備中的集流體使用。此外，CF還具有壓阻效應(yīng)，即其電阻會(huì)隨著機(jī)械應(yīng)變的變化而變化，這使得CF可以作為應(yīng)變傳感器。由于其碳質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，CF還表現(xiàn)出電化學(xué)活性：它們可以被鋰（Li）等離子充電，因此可以作為鋰離子電池（LIB）中的電極材料。在電化學(xué)充電過(guò)程中，CF會(huì)發(fā)生可逆的體積變化，當(dāng)嵌入復(fù)合材料層壓板中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，需要減輕這種壓力。CF還表現(xiàn)出類似壓電材料的電壓-應(yīng)變耦合效應(yīng)。這些特性使得CF成為用于多功能材料的不二之選。2. 碳纖維電化學(xué)性能
商用鋰離子電池的負(fù)極（亦稱陽(yáng)極）由石墨顆粒構(gòu)成。鋰離子嵌入石墨烯片層之間，理論上每六個(gè)碳原子可存儲(chǔ)一個(gè)鋰離子（LiC6），從而提供372 mAh/g的理論容量，這一數(shù)值是通過(guò)化學(xué)計(jì)量法計(jì)算得出的。因此，將CF（部分石墨化碳）用作鋰離子電池（LIB）負(fù)極材料的構(gòu)想是相當(dāng)合理的。在半電池測(cè)試中，與鋰金屬相比，一系列不同的CF材料已經(jīng)經(jīng)歷了電化學(xué)循環(huán)測(cè)試。這些CF材料在鋰化過(guò)程中（即鋰離子的插入過(guò)程）以及在不同電流速率下進(jìn)行的多次循環(huán)脫鋰過(guò)程中，表現(xiàn)出了穩(wěn)定的性能。研究表明，含有較高石墨成分的纖維，即所謂的超高模量纖維（UHM），其性能并不理想，而中等模量纖維（IM）則表現(xiàn)出色。據(jù)測(cè)量，UHM光纖M60J的容量大約為150 mA/g，而IM纖維T800和IMS65的容量分別達(dá)到265和358 mAh/g，這一數(shù)值接近石墨的理論容量。值得注意的是，這些數(shù)據(jù)是在低電流密度下，即10小時(shí)充電或放電循環(huán)（C/10）條件下獲得的。UHM纖維容量相對(duì)較低的原因被認(rèn)為是其較大的晶體尺寸和渦輪層石墨結(jié)構(gòu)阻礙了鋰化過(guò)程中的徑向傳輸和分級(jí)。對(duì)于低模量纖維，鋰離子的插入機(jī)制更類似于部分無(wú)序（無(wú)定形或硬質(zhì)）碳的插入機(jī)制，這表明它們更無(wú)序的碳結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子的插入。核磁共振（NMR）測(cè)量進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，鋰離子首先占據(jù)缺乏有序配位的結(jié)構(gòu)域（即更多的無(wú)定形碳），而隨著鋰含量的增加，有序結(jié)構(gòu)域（即石墨）的比例也隨之提高。綜上所述，CF在鋰離子電池（LIB）中作為負(fù)極材料的效果是相當(dāng)出色的。最近，鈉和鉀離子電池因其環(huán)保特性而受到關(guān)注。這些電池結(jié)構(gòu)類似鋰離子電池，但使用不同電極材料，不依賴于鈷和鎳。鈉離子不嵌入石墨，鉀離子雖能嵌入石墨，但不如鋰離子容易。盡管如此，鈉和鉀電池仍有潛力，可能需要不同類型的CF。利用生物基前驅(qū)體制造CF，如木質(zhì)素和纖維素，也顯示出高容量鋰離子插入能力。CF電化學(xué)特性表明其多功能性，可作為L(zhǎng)IB負(fù)極材料，適用于鈉和鉀離子電池，以及作為高性能結(jié)構(gòu)材料。3. 碳纖維基結(jié)構(gòu)電池
基于碳纖維的結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料概念最初由美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室提出。盡管他們投入了大量努力，但遺憾的是，他們未能成功開(kāi)發(fā)出具有實(shí)用儲(chǔ)能容量的材料。這一概念雖然簡(jiǎn)單，但在過(guò)去大約十年中，盡管研究者們不懈努力，實(shí)現(xiàn)起來(lái)仍然頗具挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)電池的示意圖如圖 1 所示，它既類似于復(fù)合層壓板，也與鋰離子電池（LIB）有相似之處。該結(jié)構(gòu)電池由碳纖維負(fù)極、涂覆有傳統(tǒng)活性電極材料（如磷酸鐵鋰（LFP）或鎳錳鈷氧化物（NMC））的碳纖維正極，以及多孔隔膜組成，這些組件均嵌入在離子導(dǎo)電的基體材料中。
圖 1.層壓結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料示意圖
碳纖維嵌入聚合物基體中，形成具有卓越結(jié)構(gòu)性能的復(fù)合材料組件。這種材料作為集流器，允許通過(guò)狹窄金屬條而非金屬片收集電流，減輕重量。隔板需電絕緣且提供結(jié)構(gòu)支持，如芳綸或玻璃纖維，以增強(qiáng)剛度和強(qiáng)度。隔膜應(yīng)盡可能薄，以優(yōu)化能量和功率存儲(chǔ)。結(jié)構(gòu)電池電解質(zhì)（SBE）需傳遞機(jī)械載荷和離子導(dǎo)電。早期研究使用含環(huán)氧乙烷鏈段的熱固性材料，但存在離子電導(dǎo)率與機(jī)械剛度的權(quán)衡。納米纖維素增強(qiáng)材料可改善SBE的多功能性能，但加工困難。另一種方法是聚合誘導(dǎo)相分離（PIPS），形成納米/微米尺度的兩相系統(tǒng)，一個(gè)液相促進(jìn)離子傳輸，另一個(gè)提供機(jī)械完整性。通過(guò)真空灌注技術(shù)，碳纖維與SBE混合，形成多功能單向椎板。電化學(xué)和機(jī)械測(cè)試顯示，電化學(xué)容量高，機(jī)械性能適中，且電化學(xué)循環(huán)不影響材料的長(zhǎng)期機(jī)械性能。圖2 SEM圖片展示SBE中的纖維和纖維印記，表明纖維與SBE之間有良好的應(yīng)力傳遞和界面粘附力。
圖 2.CF 與 SBE 結(jié)合的 SEM圖（a） 基體殘留物粘附在碳纖維上的非循環(huán)樣品b）未循環(huán)的樣品，顯示帶有纖維印記的 SBE 基質(zhì)c） 循環(huán)樣品顯示 SBE 基體殘留物粘附在碳纖維上d）循環(huán)樣品顯示帶有纖維印記的 SBE 基體
采用功能材料替代兩種單一功能材料，可以有效減輕重量。理論研究預(yù)示，結(jié)構(gòu)電池?fù)碛芯薮蟮臐摿Α＠纾陔妱?dòng)汽車（BEV）中，用結(jié)構(gòu)電池替換傳統(tǒng)的鋼制車頂，可以減輕高達(dá)60%的重量，因?yàn)殡姵氐囊徊糠挚梢员徽线M(jìn)結(jié)構(gòu)中，從而移除額外的牽引電池。在電動(dòng)渡輪中，用碳纖維（CF）船體結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)材料，大約可以減輕10%的重量。進(jìn)一步預(yù)測(cè)，將筆記本電腦外殼設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)電池，可以省去單獨(dú)的電池需求。在BEV車頂?shù)膽?yīng)用中，這種設(shè)計(jì)還能降低對(duì)環(huán)境的影響。將結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能功能相結(jié)合的結(jié)構(gòu)電池，有望應(yīng)用于多種需要結(jié)構(gòu)支撐和電能存儲(chǔ)的場(chǎng)合，如道路車輛、飛機(jī)、便攜式電子產(chǎn)品以及自主系統(tǒng)，完全或部分替代傳統(tǒng)電池。盡管目前尚未有報(bào)道顯示全碳纖維基結(jié)構(gòu)電池具有優(yōu)異的多功能性能，但至少在不久的將來(lái)，根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)，將電池性能提升一倍或三倍是可行的，達(dá)到75 Wh/kg的儲(chǔ)能密度和75 GPa的縱向彈性模量。這將顯著提高電動(dòng)空中出租車的續(xù)航能力。4. 壓電化學(xué)傳感器 （PECT） 效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變感應(yīng)
碳纖維在與堿金屬離子（如鋰、鈉或鉀）結(jié)合時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出PECT效應(yīng)，即電勢(shì)變化與機(jī)械應(yīng)變成線性關(guān)系。Jacques等人發(fā)現(xiàn)鋰化的碳纖維中存在PECT效應(yīng)。PECT效應(yīng)能夠被設(shè)想用于檢測(cè)CF結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變，前提是已知SOC（State of Charge，充電狀態(tài)）以及應(yīng)變與OCP（Open Circuit Potential，開(kāi)路電位）響應(yīng)之間的耦合系數(shù)，且無(wú)需引入額外的質(zhì)量。在輕質(zhì)CF復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中集成傳感功能至關(guān)重要，例如在飛機(jī)結(jié)構(gòu)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用以及未來(lái)的復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)中。通過(guò)在層壓板中加入一個(gè)帶有正極的層，即涂層CF層，可以使其在外部充電，這是必要的，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)像LIB（鋰離子電池）一樣隨時(shí)間自放電，因此層壓板同時(shí)具備了電池和傳感器的功能。在承受外部負(fù)載的結(jié)構(gòu)電池中，碳纖維將展現(xiàn)出PECT效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)固有的應(yīng)變感應(yīng)。為了精確測(cè)量應(yīng)變，必須了解SOC，因?yàn)镻ECT響應(yīng)會(huì)隨著SOC的變化而變化。因此，在這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)嶋H應(yīng)用之前，還需要進(jìn)一步的研發(fā)工作。
圖3.顯示彎曲中 PECT 效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。（a） 將 CF 層壓板彎曲到已知恒定曲率的實(shí)驗(yàn)裝置 （b） 開(kāi)路電位 （OCP） 或不同應(yīng)變水平 （A-D） 的 PECT 效應(yīng)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)。
5. 用于驅(qū)動(dòng)和形狀變形的碳纖維膨脹
利用材料中離子插入引起的體積膨脹，是實(shí)現(xiàn)固態(tài)驅(qū)動(dòng)的一種有前景的方法，它能夠克服許多上述挑戰(zhàn)。其優(yōu)勢(shì)在于不僅在低電壓下提供高驅(qū)動(dòng)力，還實(shí)現(xiàn)了零功率保持的可能性，即無(wú)需額外能量即可維持變形。但值得注意的是，這類致動(dòng)器通常以低頻率運(yùn)行，且由于液體電解質(zhì)的使用，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上存在局限性，直到最近才有所突破。當(dāng)鋰離子嵌入石墨時(shí)，體積可增加大約10%。鑒于碳纖維（CF）具備出色的機(jī)械性能，有建議將其作為固態(tài)驅(qū)動(dòng)中離子插入材料的候選。因此，離子插入膨脹已在多項(xiàng)研究中得到探討。通過(guò)在碳纖維束上施加機(jī)械應(yīng)變（見(jiàn)圖4a和b），然后與鋰金屬對(duì)電極進(jìn)行電化學(xué)循環(huán)，間接測(cè)量了纖維方向的膨脹。纖維方向的膨脹測(cè)量顯示，隨著CF充電和膨脹（鋰插入），負(fù)載下降，而隨著纖維放電和收縮，負(fù)載增加。當(dāng)使用1小時(shí)（1C）的充電時(shí)間時(shí)，CFs的容量達(dá)到150 mAh/g，測(cè)得的軸向膨脹率約為0.3%。然而，當(dāng)充電速率降低至約C/10時(shí)，容量可達(dá)到約300 mAh/g，可修正的軸向膨脹增加到約0.7%。盡管如此，未觀察到纖維的機(jī)械降解。在第一個(gè)循環(huán)中，觀察到約0.2-0.3%的不可逆膨脹，這支持了部分鋰離子在首次鋰化后仍不可逆地嵌入CF原子結(jié)構(gòu)的假設(shè)。
圖 4.（a） 示意圖和 （b） 安裝在微型測(cè)試儀中的半電池裝置中的碳纖維束在恒定位移下的照片（c） Li-、Na-和 K-ion 插入引起的 CFs 不可逆的軸向應(yīng)變膨脹
CF 的體積膨脹也通過(guò)插入 Na 離子和 K 離子來(lái)測(cè)量，但即使 Na 離子和 K 離子具有更大的離子半徑，它們?nèi)匀划a(chǎn)生比鋰離子更低的單位容量（電荷量）膨脹，如圖 4 所示。Na 明顯的雙線性應(yīng)變與容量關(guān)系表明 CF 微觀結(jié)構(gòu)中存在不同的存儲(chǔ)機(jī)制，表明 Na 首先在有序域中插入更多，然后以較低電位填充微孔。CF 中 Na 離子插入的充電/放電曲線中的分期支持了這一點(diǎn) [17\u88]。然而，關(guān)于這些插入機(jī)制的爭(zhēng)論仍在進(jìn)行中。將碳纖維（CF）與形狀記憶聚合物（SBE）相結(jié)合，能夠制備出具有形狀變形能力的層壓板。這一過(guò)程與PECT彎曲實(shí)驗(yàn)類似，在該實(shí)驗(yàn)中，隔膜兩側(cè)預(yù)先對(duì)碳纖維進(jìn)行充電。層壓板的各層厚度較薄，其中碳纖維層大約為40-50微米，而隔膜層約為20微米，共同構(gòu)成了一種縱向彈性模量超過(guò)100 GPa的高性能層壓板。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，鋰離子在層與層之間遷移，引起一側(cè)膨脹而另一側(cè)收縮，從而使得層壓板在低于1.5V的電壓下產(chǎn)生顯著的彎曲。若電流方向反轉(zhuǎn)，彎曲現(xiàn)象亦隨之逆轉(zhuǎn)。這種材料實(shí)現(xiàn)了較大的變形，并且具備零功率保持特性。圖5展示了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖以及實(shí)現(xiàn)的變形狀態(tài)的快照。
圖 5.（a） 形狀變形實(shí)驗(yàn)的設(shè)置示意圖和 CF 在鋰化和脫鋰過(guò)程中軸向膨脹形成的形狀變形層壓板的照片（b） 施加電流之前（c） 以一種方式運(yùn)行電流，然后 （d） 以相反的方向運(yùn)行電流
因此，可以在 CF 中使用電化學(xué)誘導(dǎo)的體積膨脹來(lái)創(chuàng)建具有高機(jī)械性能的復(fù)合層壓板的線性驅(qū)動(dòng)和形狀變形。雖然速度慢，但它可以產(chǎn)生很大的力、大的變形，并且在低電壓下進(jìn)行電氣控制，并且不需要添加任何驅(qū)動(dòng)材料。變形雖然被認(rèn)為相當(dāng)緩慢，但對(duì)于飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片或其他流體控制應(yīng)用中的流體控制表面來(lái)說(shuō)可能非常有趣，從而獲得更低的阻力、更高的效率和更低的能耗。通過(guò)添加一個(gè)正極并具有兩個(gè)（或多個(gè)）CF 負(fù)極層，可以單獨(dú)控制 CF 層，擴(kuò)展或收縮層而不會(huì)相互影響。然后，也可以使用外部電路對(duì)材料進(jìn)行充電。然后，通過(guò)改變CF層的纖維角度，也可以創(chuàng)建其他形式的變形，即扭曲和組合扭曲和彎曲。在某些應(yīng)用中，實(shí)際使用可能需要增加變形速率。6. 使用碳纖維收集能量
儲(chǔ)能的一個(gè)重要補(bǔ)充是從周圍環(huán)境中收集能量。收集能量可以為自主系統(tǒng)等所需的功能提供動(dòng)力。壓電體可用于通過(guò)其機(jī)電耦合將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。這些材料以前已被集成到結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，以增加能量收集功能。然而，由于壓電材料通常非常脆，因此這種方法增加了結(jié)構(gòu)的寄生質(zhì)量。它們通常也僅限于在相對(duì)較高的頻率下運(yùn)行。電容材料顯示出巨大的能量收集潛力，具有高效率和高功率輸出，盡管大多數(shù)概念都依賴于液體電解質(zhì)。通過(guò)利用 PECT 效應(yīng)和離子插入引起的材料體積膨脹的組合，可以使用離子插入材料進(jìn)行能量收集。在 CF 情況下，對(duì) CF 束充電，然后施加機(jī)械載荷（應(yīng)變），通過(guò) PECT 效應(yīng)提高電位。然后，CF 可以在比充電時(shí)更高的電池電壓下放電;有效收集電能。收集的能量來(lái)自機(jī)械工作中的損失，這是由于收集周期期間 CF 中的可逆鋰離子插入應(yīng)變?cè)斐傻摹Ｔ趶埩ο率褂?CF 導(dǎo)致 1 μW/g CF 的收獲功率。最近的進(jìn)展使得在承重碳纖維（CF）層壓板中集成結(jié)構(gòu)型壓電能量收集器（SBE）成為可能。這種配置與之前描述的傳感和形狀變形實(shí)驗(yàn)類似，通過(guò)將兩個(gè)預(yù)先充電的CF層嵌入SBE中實(shí)現(xiàn)。由此產(chǎn)生的層壓板既堅(jiān)固（具有高平面內(nèi)模量）又薄，其縱向彈性模量大約為100 GPa。接著，該層壓板接受了三項(xiàng)獨(dú)立的測(cè)試。首先，如圖3所示，通過(guò)彎曲層壓板并測(cè)量開(kāi)路電位（OCP）來(lái)評(píng)估壓電能量轉(zhuǎn)換（PECT）響應(yīng)。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)CF層進(jìn)行了相同的測(cè)試，但這次將兩個(gè)碳纖維層短路，施加的彎曲變形導(dǎo)致電流在CF層之間流動(dòng)（盡管沒(méi)有電位差）。這種現(xiàn)象被稱為短路電流。在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，如圖6a所示，將外部電氣負(fù)載與兩個(gè)CF層串聯(lián)連接，允許電流通過(guò)電阻器流動(dòng)，從而根據(jù)Preimesberger等人所報(bào)告的方法產(chǎn)生電力。依據(jù)最大功率定理，通過(guò)將外部電氣負(fù)載（電阻器）與電源（層壓板）的內(nèi)阻進(jìn)行匹配，可以獲得大約18 nW/g的電功率。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。盡管從離子插入的CF中獲得的預(yù)期功率相對(duì)較小，但能量“免費(fèi)”來(lái)自結(jié)構(gòu)的變形和低頻振動(dòng)，這些都來(lái)自于承受外部載荷。雖然尚未完全展示，但這種技術(shù)應(yīng)該能在從中等頻率到真正低頻和長(zhǎng)時(shí)間保持的廣泛頻率范圍內(nèi)工作。它可能適用于多種對(duì)重量敏感的自主應(yīng)用，例如無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、低功耗電子設(shè)備，以及可以為微/納米傳感器或執(zhí)行器提供能量的MEMS設(shè)備，或帶有集成傳感器的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，需要能量收集和存儲(chǔ)，以報(bào)告健身、健康和表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
圖 6.（a） 能量收集實(shí)驗(yàn)示意圖（b） 不同電力負(fù)載的實(shí)測(cè)功率輸出
7. 未來(lái)挑戰(zhàn)
未來(lái)所面臨的重大挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)高效制造及規(guī)模的擴(kuò)大。已證實(shí)，樹(shù)脂真空灌注技術(shù)是一種有效的復(fù)合材料制造方法，該技術(shù)涉及使用干燥的纖維層疊，隨后將其置于袋中并注入液體SBE，最終在高溫條件下進(jìn)行固化。此外，通過(guò)共擠技術(shù)進(jìn)行的3D打印試驗(yàn)，展示了基于碳纖維（CF）的結(jié)構(gòu)電池的潛力，盡管其電化學(xué)容量和機(jī)械性能尚有待提高。制造過(guò)程中的一些步驟需要在無(wú)濕氣的環(huán)境下進(jìn)行，這為生產(chǎn)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。此外，為了達(dá)到最佳性能，層疊的厚度必須非常薄。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，任何穿過(guò)隔板的單個(gè)雜散碳纖維都可能引起短路，進(jìn)而導(dǎo)致所有附加功能的喪失。因此，為了確保穩(wěn)定性和規(guī)模的擴(kuò)大，必須采用高精度的自動(dòng)化制造技術(shù)。同時(shí)，多功能材料的集成也是構(gòu)建結(jié)構(gòu)所必需的，這涉及到電線、封裝，以及可能的分區(qū)需求。[1] Dan Zenkert, Ross Harnden, G?ran Lindbergh, Mats Johansson,Multifunctional carbon fibre composites using electrochemistry,Composites Part B: Engineering,Volume 273,2024,111240,ISSN 1359-8368,https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111240.
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