導讀

背景

碳纖維（carbon fiber），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維，沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱等特性，已廣泛應用于航天、航空、 汽車(chē)、 電子、 機械、化工、輕紡等民用領(lǐng)域，以及飛機制造等軍工領(lǐng)域。

具有碳纖維車(chē)身殼體的McLaren F1超級跑車(chē)（圖片來(lái)源：維基百科）

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用碳纖維材料裝飾的空中客車(chē)A350飛機（圖片來(lái)源：維基百科）

創(chuàng )新

近日，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)領(lǐng)導的一項研究表明：碳纖維可作為電池電極使用，直接存儲能量。這項研究為結構電池帶來(lái)了新的機遇。在結構電池中，碳纖維可以變成能量系統的一部分。這種多功能材料將顯著(zhù)降低未來(lái)飛機與車(chē)輛的重量。

對于電氣化來(lái)說(shuō)，減重是一項關(guān)鍵挑戰。未來(lái)的客機需要比目前輕得多，從而變?yōu)殡妱?dòng)的。同樣，對于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，減重也非常重要，有利于延長(cháng)一次充電的行駛距離。

研究人員的愿景是車(chē)輛車(chē)身或者飛機機身的大部分由結構化的鋰離子電池組成。多功能的碳纖維材料可作為電池電極以及承重材料。（圖片來(lái)源：Yen Strandqvist）

技術(shù)

查爾姆斯理工大學(xué)材料與可計算機力學(xué)專(zhuān)業(yè)教授 Leif Asp 的研究表明，碳纖維不僅是一種增強材料，還能勝任更多的任務(wù)，例如用于存儲能量。

Leif Asp 的身邊是碳纖維線(xiàn)。結構化的鋰離子電池中的電極是由聚合物中的碳纖維線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成。每根線(xiàn)都是由24000根碳纖維組成。（圖片來(lái)源：Johan Bodell）

他說(shuō)：“這樣一來(lái)，汽車(chē)的車(chē)身不再簡(jiǎn)單地作為承重組件，而是作為電池。同樣，碳纖維也可以帶來(lái)其他應用，例如采集動(dòng)能，用于傳感器，或者用于能量和數據的導體。如果所有這些功能成為汽車(chē)或者飛機身體的一部分，重量將降低達50%。”

Asp 領(lǐng)導了一個(gè)跨學(xué)科研究小組開(kāi)展研究。近日，他們發(fā)表了一篇論文，關(guān)于碳纖維微結構是如何影響其電化學(xué)性能的，也就是說(shuō)，作為鋰離子電池電極的能力。目前為止，這還是一個(gè)未經(jīng)探索的科研領(lǐng)域。

研究人員們研究了市場(chǎng)上可買(mǎi)到的不同種碳纖維的微結構。他們發(fā)現，含有尺寸小、方向性差的晶體的碳纖維，具有良好的電化學(xué)性能，但是剛度相對較低。相反，含有大尺寸、方向性好的晶體的碳纖維，剛度較高，但是電化學(xué)性能太差，以至于無(wú)法應用于結構電池。

Asp 表示：“我們現在知道了應該如何制造多功能碳纖維，以獲得較高的能量存儲容量，同時(shí)保證足夠的剛度。剛度稍微減弱，對于汽車(chē)之類(lèi)的許多應用來(lái)說(shuō)，都不成問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上占主導地位的是昂貴的碳纖維復合材料，這種材料的剛度適合飛機。因此，碳纖維制造商有望拓展碳纖維的用途。”

在研究中，電化學(xué)性能良好的碳纖維，剛度稍高于鋼鐵。然而，那些電化學(xué)性能較差的碳纖維，剛度是鋼鐵的兩倍。

研究人員們正在與汽車(chē)以及航空工業(yè)的合作伙伴展開(kāi)合作。Leif Asp 解釋道，對于航空工業(yè)來(lái)說(shuō)，碳纖維復合材料的厚度有必要增加，從而補償結構電池的剛度，也可以相應地增加其能量存儲容量。

價(jià)值

Leif Asp 表示：“關(guān)鍵點(diǎn)在于，基于重量、強度、剛度和電化學(xué)性能，在系統級別優(yōu)化汽車(chē)。汽車(chē)行業(yè)更習慣于考慮優(yōu)化單個(gè)組件，而這項研究為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)一種新的思考方式。結構電池可能并沒(méi)有傳統電池那樣高效，但卻具有結構化的承重能力，因此將在系統級別帶來(lái)很多好處。”

他繼續說(shuō)：“此外，結構電池的能量密度更低，將使得它們比標準電池更安全，特別是不含有任何揮發(fā)性物質(zhì)。”