多功能碳纤维复合材料应用储能技术

轻量储能技术的需求正在推动汽车电池和其他电子产品用碳纤维复合材料的发展。

在移动和便携式电子设备爆炸以及无人机和电动汽车（EV）的普及的推动下，这场研究竞赛正致力于开发新的轻质材料用于储能技术，特别是具有更长寿命和更高重量和体积效率的材料。碳和复合材料几十年来一直是储能系统的组成部分，其中一个显著的例子是石墨碳，它包含锂离子电池的阳极。阳极通常由金属或金属氧化物制成的碳纤维复合材料构成，再加上聚合物涂层、阻挡层和某种类型的阴极，形成电位，使电子流过电路。填充导电材料的碳纤维/聚合物基复合材料也被用于电磁干扰（EMI）屏蔽材料，广泛应用于航空航天、汽车和消费电子等领域。

复合材料储能的一个新兴研究方法是通过最先进的材料将电池、燃料电池和电容器的质量最小化，最终目标是提高总功率密度。“如今的问题之一是，电池重量的50%左右可以用于不产生能量的部件，”IDTechEx（英国伦敦）高级技术分析师Rid Collins博士说，该公司对新兴技术（包括先进材料）进行了独立的市场研究。

例如，在为电动和混合动力汽车供电的电池组中，电力系统总质量的一个必要组成部分是电池外壳。汽车热管理专家Zircotec Group（英国Abingdon）的技术总监Simon Hiiemae说：“高电压电池，性能电动汽车可以达到1000伏以上，会产生很多射频噪声。”Hiiemae指出，保护集成在电动汽车中的敏感控制电子设备的一种方法是将电池放在金属盒中，通常是铝，用作法拉第笼，以吸收来自电池本身或周围来源的电磁场或射频干扰；然而，这增加了相当大的重量。用轻质碳纤维复合材料代替金属可以减轻重量，但大多数复合材料对射频噪声是透明的，不能提供所需的干扰防护水平。

Zircotec集团推出了一种解决这一技术难题的方法：一种导电的两部分涂层系统，可以很容易地应用于由碳纤维或玻璃纤维填充复合材料制成的电池外壳。涂层的第一层是一层薄的铝合金粘合层，直接涂在复合材料上，不含任何溶剂或粘合剂，并提供保护电池不受干扰所需的导电性。第二，在第一金属层上涂上陶瓷层，保护其不受磨损和腐蚀；此外，可以对该陶瓷层进行修改，以纳入热障保护，保护电池免受外部热源的影响。Hiiemae报告说，许多汽车制造商正在对涂层进行测试；他说，与铝相比，复合电池外壳可以节省高达4千克/平方米的重量。

多功能材料

在储能行业也获得了吸引力的是一种能够产生电流或储存电荷的结构层压板，这种方法试图将结构和电气系统集成到耗电产品中。这类多功能材料20多年前首次提出并在研究中探索，主要针对军事和先进航空航天应用，在实现全面商业化的道路上仍然面临着巨大的技术挑战。然而，在过去的五到六年中，多功能材料的发展在几个方面取得了实质性进展。

复合结构超级电容器（SSC）具有特殊的发展潜力，部分原因是其结构相对简单。SSC通过电极/电解质界面处的静电电荷积累来存储能量，通常设计为两个碳多孔电极的夹层结构，由一个膜隔开并嵌入具有高离子导电性的液体电解质中。传统商用超级电容器提供高能量和功率密度、长周期寿命和在各种温度和条件下可靠运行。idtechex公司的柯林斯说，虽然SSC有朝一日可以用于为火车或汽车提供动力，但最早的商业SSC应用可能是用于军事用途的无人驾驶飞行器（UAV）。柯林斯说：“集成到无人机中的SSC可以显著延长射程和作战时间，这是一个关键的性能需求。”“此外，第一个商用SSC的建造成本很高，因此它们很可能最适合军事类型的项目。”

多功能材料研究步伐的加快有助于推动该技术走向商业化。例如，欧盟资助的一个项目“巫师”正在为电动和混合动力电动飞机的轻型结构储能材料的研究提供支持。该项目旨在开发可用于结构电池和结构超级电容器的先进材料和技术。

另一个项目涉及IMDEA材料研究所（西班牙Getafe）的一组研究人员与欧盟资助的一些项目（如巫师项目，包括空客项目）的一些航空航天合作。该小组演示了一种新型的电双层电容器（EDLC）的结构，这种电容器由薄夹层结构制成。这些结构是交错的，包括碳纳米管（CNT）纤维面纱和注入环氧树脂的碳纤维层之间的离子型、液基聚合物电解质。Juan Jose Vilatela博士是多功能纳米复合材料小组的成员之一，他说，该项目生产的复合材料对于分别达到88 mf/g和30 wh/kg的高比电容和功率密度是值得注意的。这比性能最好的结构材料高一到三个数量级。该材料的能量密度也为37.5Wh/kg，是目前研究的结构超级电容器的最高测量值之一。

Vilatela说，碳纳米管具有比碳纤维织物大1000倍的表面积的固有优势。碳纳米管还具有很高的电化学稳定性。为了制造EDLC复合材料，在八层（4+4）Hexcel（Stamford，CT，US）Hexforce高强度碳纤维织物（G0926）之间设置一个薄的EDLC夹层，真空注入由Ashland Chemical（Columbus，OH，US）提供的环氧乙烯基酯树脂Derakane 8084，并在48小时内完全固化。室温。中间层由一个夹层结构组成，该夹层结构从中间向外包括一个约100-120微米厚的聚合物电解质膜，设置在两个CNT纤维板之间，两个CNT纤维板都固定在薄铝集流板上。以铁、硫催化剂和丁烷为碳源，采用直接纺丝法合成了碳纳米管纤维。

在定位在碳纤维织物的外层之间之前，向夹层施加少量压力，以将软电解质膜浸渍到多孔CNT纤维板中。本研究所制备的EDLC样品约为4平方厘米（典型层压板结构梁的尺寸），尽管Vilatela说，自立式EDLCS可在不需要额外结构支撑的情况下使用，但其尺寸可高达100平方厘米。四点弯曲试验中EDLC样品的现场机电测量表明，电化学性能一直保持到断裂点。考虑到该材料作为一种结构和储能材料的应用，该试验是对其性能的关键验证。

IMDEA集团使用单向CNT织物建造SSC，将该项目与使用各种“活性”碳纤维织物作为储能材料的类似并行工作区分开来。Vilatela等人引用的一个这样的项目。发表在科学报告（2018年2月）上的论文，使用注入技术在碳纤维织物周围生长高比表面积碳气凝胶（CAG）。结合含有10%锂离子的乙二醇基质，该技术产生的材料的计算能量密度仅为0.84 m wh kg，与包含CNT纤维的EDLC获得的能量密度相比，该材料的能量密度较低。这项技术，特别是在使用高比表面积复合材料时，产生了一种剪切模量为895兆帕的复合材料，与传统的结构复合材料相当。相比之下，IMDEA研究中的CNT复合材料的弯曲模量为60 gpa，弯曲强度为153 mpa，其值与典型的未填充聚酰亚胺相当，低于主要结构应用中使用的复合材料所需的强度和刚度特性。

每一个项目的结果都表明，在广泛的笔触中，开发完全商业化的多功能材料所面临的挑战之一，该材料适用于广泛的应用领域：即，很难建造具有足够电气和结构性能的复合材料。

柯林斯认为，目前结构和电气性能之间的权衡不会成为该技术采用和商业化的主要障碍。他说：“我不认为这些新型复合储能材料结构性能的下降会限制其有效性，因为即使性能稍差的碳纤维增强材料，其强度和刚度仍足以在某些应用中发挥作用。”更大的问题，他认为，是如何设计和机械地整合固体聚合物电极和电绝缘但离子导电的分离器的问题。其他挑战包括经济有效的制造和安全。

汽车能源技术领先

然而，在汽车比赛中，先进材料储能的未来已经到来。自2014年以来，第一款全电动FIA赛车系列的E级方程式赛车采用先进的多功能复合材料800V结构电池供电。电池技术是由威廉斯先进工程公司（英国格罗夫）开发和制造的，该公司是为E级方程式电网制造汽车电池的唯一供应商。典型的E级方程式赛车大约有250马力（190千瓦），可以在3秒内从0加速到100公里小时（0到62英里小时），最大速度为225公里/小时（140英里/小时）。有关威廉斯高级工程公司（Williams Advanced Engineering）用于消费类车辆的结构电池系统（如电池电动FW-EVX）的更多信息，请参见CW 2018年11月的《专注于设计故事》（Focus on Design Story）“推动电动汽车向前发展”（Pushing EVS Forward）。

另一方面，现代汽车集团（韩国首尔）正利用SGL集团（德国威斯巴登）提供的氢燃料电池技术制造其零排放汽车Nexo。这辆生产型汽车涵盖了汽车制造商和SGL多年的开发工作和合作，在此期间，现代优化了Ix35示范燃料电池汽车上的氢动力传动系统和其他部件。自2018年3月开始生产以来，现代已报告平均每月销售约45辆，如果能够保持这种速度，那么将在2018年达到500辆以上的销量，这是氢燃料电池汽车新的一年销售记录。

NEXO的核心技术是Sigracet燃料电池，一种由SGL开发和销售的聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）。质子交换膜燃料电池（PEMFC）通过将氢燃料转化为电能来产生电化学动力，其副产品只有水和热。单个PEMFC电池由两个流场组成，包括两个气体扩散层（GDL）和两个碳支撑的贵金属催化剂层，每个层由质子交换膜隔开。反过来，GDL是一种双层结构，由大孔背衬材料（碳纤维纸）和微孔碳基层组成。膜电极组件被构建为一个分层的层压板，其中一个GDL作为阳极，另一个GDL层作为阴极。PEMFC夹在由石墨、涂层钢或钛制成的两个双极板（BPP）之间。BPP构成了烟囱的结构部件，并且设计有通道来容纳冷却剂流和水出口。汽车PEMFC系统通常由多达400个电池组组成，功率输出约为80至120千瓦。

复合材料在储能方面正在取得进展，但要使更清洁、更轻的能源成为大规模的现实，将取决于在燃料电池、结构电池和结构超级电容器等先进技术方面的细节。

IDTechEx研究并评价了多种多功能聚合物复合材料的技术准备水平（TRL）。评级系统基于一系列标准，包括研究是否仍然主要是学术性的（产生较低的评级），技术是否正在原型化或测试（产生较高的评级），或者技术是否达到商业化（最高评级）。数据挖掘表明，根据IDTechEx的标准，用于储能和储能的多功能材料仍处于相对早期的开发阶段——略高于自愈材料和完全嵌入的电路，但落后于电力传输和嵌入式传感器。柯林斯指出：“例如，当你观察SSC的电极时，其中一个挑战就是如何适当地改善表面积。”“CNT显示出了承诺，但仍有办法在商业上证明这一点。”