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在多功能結(jié)構(gòu)電池中，材料成分的機械性能和電化學(xué)性能之間的協(xié)同作用可以節(jié)省重量并提高能源效率。因此，結(jié)構(gòu)電池可以減輕電動汽車的超重或使便攜式電子設(shè)備更薄。這需要結(jié)合最佳的復(fù)合材料和電池制造實踐。在目前的研究中，通過將碳纖維基電極堆疊并用混合聚合物-液體電解質(zhì)浸漬來實現(xiàn)這一目標。實現(xiàn)的全電池結(jié)構(gòu)電池基于碳纖維電極，正極涂有磷酸鐵鋰 (LiFePO4)。這種電池層壓板在能量密度、剛度和強度之間實現(xiàn)了非常好的平衡，分別為 33.4 Wh/kg、38 GPa 和 234 MPa。

一、 引言

當前，電動汽車和飛機的續(xù)航能力受限，主要原因在于電池的能量密度和電池包的重量。為了解決這個問題，結(jié)構(gòu)電池的概念應(yīng)運而生。結(jié)構(gòu)電池將電池的功能集成到結(jié)構(gòu)材料中，實現(xiàn)重量和體積的減少，從而提升能量效率。結(jié)構(gòu)電池的研究已有20年歷史，但仍存在能量密度和機械性能難以兼顧的問題?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)電池大多采用傳統(tǒng)的電池材料，如石墨負極和金屬鋰正極，這些材料的機械性能較差，無法滿足結(jié)構(gòu)電池對強度的要求。此外，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)電池制造工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

近日，國際知名期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由瑞典皇家理工學(xué)院工程力學(xué)系和化學(xué)工程系的研究團隊完成的有關(guān)具有碳纖維電極的結(jié)構(gòu)電池的研究成果。該研究開發(fā)了一種全碳纖維固態(tài)結(jié)構(gòu)電池，通過將正負極材料、隔膜和電解質(zhì)集成到碳纖維復(fù)合材料中，實現(xiàn)了高能量密度和高機械性能的平衡。論文標題為“A structural battery with carbon fibre electrodes balancing multifunctional performance”。

二、研究內(nèi)容及方法

1.材料和方法

用于制造全碳纖維結(jié)構(gòu)電池的材料包括碳纖維、玻璃纖維、鋰離子電池隔膜、電解質(zhì)成分等。碳纖維電極制備采用了兩種碳纖維（T800S 和 IMS65）作為電極材料。正極電池的制備將 LFP, CNF 和 PEI 混合后過濾到 IMS65 碳纖維上，并進行熱處理，負極的制備則使用商用 T800S 碳纖維。

結(jié)構(gòu)電池的制備將正負極、隔膜和電解質(zhì)按照一定的順序堆疊，形成電池堆疊結(jié)構(gòu)。使用真空灌注技術(shù)將 SBE 浸潤到電池堆疊結(jié)構(gòu)中，將浸漬后的電池堆疊結(jié)構(gòu)進行固化，形成結(jié)構(gòu)電池。

圖 1. 結(jié)構(gòu)電池的制造過程。（a）首先通過將基于 LFP 的化合物過濾通過 CF 絲束來制造結(jié)構(gòu)正極。對沉積材料進行熱處理可實現(xiàn)電化學(xué)活性 LFP 網(wǎng)絡(luò)。（b）負極和正極以及隔膜材料在真空袋中組裝在一起。（c）將包含干式堆棧的真空袋注入結(jié)構(gòu)電池電解質(zhì) (SBE)。

2.結(jié)果和討論

對所制備的結(jié)構(gòu)電池的電極制備工藝、電池組裝工藝以及電化學(xué)性能進行測試，結(jié)果顯示，該電池在0.05C倍率下，能量密度可達33.4 Wh/kg，且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率。此外，文章還展示了兩種全電池類型的放電能量密度與全電池質(zhì)量的功率密度的關(guān)系圖，表明Type 2全電池在較快的C率下能量密度下降。

通過掃描電子顯微鏡觀察了電池橫截面，發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)在各個層中均勻分布，并保持了多孔形態(tài)。此外，通過能譜分析確認了正極涂層的存在，并觀察到LFP顆粒的緊密排列和碳包覆LFP顆粒之間的緊密接觸，有利于電子傳輸。然而，正極層中纖維分布和壓實程度的變化可能導(dǎo)致層壓板機械性能的差異。

圖 2. 循環(huán) 1 型結(jié)構(gòu)電池橫截面的 SEM 成像。

該部分測試了電池的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)循環(huán)對縱向性能影響不大，這歸因于碳纖維本身在電化學(xué)循環(huán)中的穩(wěn)定性。然而，會顯著降低橫向性能。這可能是由于循環(huán)過程中負極與隔膜之間的界面損傷導(dǎo)致的。此外，正極涂層的厚度對力學(xué)性能影響不大，而提高纖維體積分數(shù)可以提高縱向剛度。

圖 3. 機械測試和設(shè)置。(a、b) 配備 DIC 的機械測試裝置圖片；(c) DIC 相機的視覺效果；(d、e) 縱向 (d) 和橫向 (e) 樣品的 DIC 校正應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。

結(jié)構(gòu)電池展示了出色的能量密度、彈性模量和強度，并且在特定條件下，甚至達到了更高的剛度和強度。將該研究的電池與現(xiàn)有技術(shù)進行了比較，研究發(fā)現(xiàn)，盡管本研究電池的面積能量密度較低，但其質(zhì)量能量密度與現(xiàn)有技術(shù)相當。通過改進制造工藝和電池設(shè)計，可以進一步提高電池的性能，使其滿足航空和汽車應(yīng)用的需求。

圖 4. 最新研究和性能目標。已發(fā)表的研究顯示為黑色標記，已發(fā)表的目標性能顯示為藍色圓圈，其中的數(shù)字代表數(shù)字來源的參考文獻。目標性能劃定了一個更大的淺藍色區(qū)域。紅色虛線代表對未來進步的期望。

三、小結(jié)

該研究開發(fā)了一種全碳纖維固態(tài)結(jié)構(gòu)電池，實現(xiàn)了能量密度和機械性能的良好平衡。該電池在 0.05C 下的能量密度達到 33.4 Wh/kg，0.025C 下達到 37 Wh/kg，彈性模量為 38 GPa，抗拉強度為 234 MPa。該研究為未來輕量化電動汽車和飛機的能源存儲提供了新的解決方案，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

原始文獻：

Karl Bouton, Lynn Schneider, Dan Zenkert, G¨oran Lindbergh. A structural battery with carbon fibre electrodes balancing multifunctional performance. Composites Science and Technology 256 (2024) 110728.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110728