结构复合电池：多孔聚醚砜基质中增强碳纤维电极的力学与电化学协同设计

《Composites Science and Technology》：Structural Composite Battery: Reinforced Carbon Fibre Electrodes within a Porous Polyethersulfone Matrix

结构电池复合材料可兼顾承载与储能，但现有体系存在力学-电化学性能失衡的难题。为此，研究人员通过电泳沉积在碳纤维上负载磷酸铁锂（LFP）和钛酸锂（LTO），并利用非溶剂诱导相分离构建多孔聚醚砜（PES）基质，成功制备出兼具优异力学性能（杨氏模量27?GPa、拉伸强度282?MPa）与储能能力（能量密度63?Wh/kgLFP）的全电池，为轻量化多功能能源结构器件提供了新思路。

　　

在追求设备轻量化和高效能源集成的今天，如何让一个部件同时承担“骨骼”与“心脏”的双重角色——即既能作为结构材料承受机械载荷，又能像电池一样存储电能——已成为材料科学与能源工程交叉领域的前沿挑战。这种被称为“结构电池”的构想，若能实现，将彻底改变电动汽车、航空航天器及可穿戴电子设备的设计范式，通过消除独立的笨重电池组，显著降低系统总质量并提升能量利用效率。然而，理想丰满，现实骨感。传统的结构电池复合材料（Structural Battery Composites, SBC）往往面临一个核心矛盾：专注于提升力学性能的基质材料（如高强高模聚合物）可能会阻碍离子的传导，导致电池性能低下；而为了优化电化学性能设计的离子导电网络，又常常以牺牲材料的刚度和强度为代价。此外，如何将电池活性材料高效、均匀且牢固地负载到同样作为承力骨架的碳纤维上，并确保在长期充放电循环中活性材料不与电流收集器（碳纤维）脱附，也是亟待解决的技术瓶颈。

为攻克这些难题，来自维也纳大学的研究团队在《Composites Science and Technology》上发表了一项创新性研究。他们独辟蹊径，将用于制备高性能分离膜的非溶剂诱导相分离（NIPS）技术与电池制造工艺相结合，开发了一种全新的结构电池复合材料。该研究成功制备了以碳纤维为增强体和电流收集器、分别负载磷酸铁锂（LiFePO₄, LFP）和钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂, LTO）作为正负极活性材料，并嵌入于多孔聚醚砜（Polyethersulfone, PES）基质中的一体化多功能器件。这种设计巧妙地让多孔的PES骨架承担力学载荷传递，而其连通的孔道在填充液态电解质后则成为高效的离子传输通道，从而在单一材料体系中实现了力学承载与电化学储能功能的协同与解耦。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，采用电泳沉积（Electrophoretic Deposition, EPD）技术在展开的碳纤维束上均匀涂覆LFP和LTO活性材料，确保每根纤维都能作为有效的电流收集器。其次，利用非溶剂诱导相分离（NIPS）工艺，将溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）的聚醚砜（PES）溶液浸渍到由LFP@CF（活性材料@碳纤维）正极、隔膜、LTO@CF负极组成的叠层中，再通过丙酮沉淀，形成贯穿整个电池结构的互联多孔PES基质。最后，通过对复合结构进行力学拉伸测试和电化学充放电循环测试，系统评估其多功能性能。

研究结果

1. EPD在碳纤维上沉积活性材料

研究人员通过调控电泳沉积的电压和时间，成功在碳纤维上负载了约30 wt.%的LFP和LTO活性材料。扫描电镜（SEM）观察显示，EPD工艺实现了活性材料在单根碳纤维表面的均匀包覆，而非仅沉积在纤维束表面，这为后续形成良好的电化学界面奠定了基础。热重分析（TGA）进一步量化了电极中各组分（活性材料、碳纤维、粘结剂等）的含量。

2. 用多孔PES预浸电极

将PES/NMP溶液浸渍到活性材料涂覆的碳纤维上，再经丙酮诱导相分离，形成了碳纤维增强的多孔PES预浸料。SEM显示，PES以网状结构锚定在碳纤维表面，既创造了机械结合界面，又留下了充足的孔道空间。TGA证实PES成功引入，在LFP@CF/PES和LTO@CF/PES预浸料中分别占约36 wt.%和31 wt.%。

3. 模型电池

在组装完整结构电池前，研究人员构建了多种模型电池以验证电极功能。其中，LFP@CF与商业LTO配对的全电池在0.5C倍率下显示出80 mAh/g_LFP的比容量，证明了碳纤维阴极的有效性。而由LFP@CF和LTO@CF组成的全碳纤维电极模型电池也表现出可观的充放电能力。尽管引入PES预浸料会因额外的界面导致比容量有所下降（30 mAh/g_LFP），但证实了该结构原则上可行。

4. 结构电池复合材料

最终制备的完整结构电池复合材料（LFP@CF | 隔膜 | LTO@CF / 多孔PES）厚度约为230微米。其孔隙率高达62%，碳纤维体积分数约为16%。力学性能方面，该复合材料表现出优异的承载能力，平均杨氏模量为27 ± 10 GPa，拉伸强度达282 ± 65 MPa，其断裂模式表现为碳纤维的脆性断裂，表明PES基质能有效传递载荷。电化学性能方面，在0.1C倍率下，电池的比容量为30 mAh/g_LFP，能量密度按正极活性材料质量计算为63 Wh/kg_LFP。长周期循环测试（超过400小时，约80周）表明电池能够持续工作，但比容量保持率约为30%，衰减原因可能与活性材料和碳纤维之间的接触损耗有关。

5. 与现有技术的对比及展望

与文献中报道的其他结构电池相比，本工作利用PES基质获得了更优的力学性能，但整体能量密度（按电池总质量计仅为2 Wh/kg）仍远低于商业锂离子电池。这主要归因于碳纤维上活性材料的负载量相对较低（约30 wt.%），以及碳纤维自身质量占比大。研究指出，未来可通过优化活性材料负载量与纤维体积分数之间的平衡、改善活性材料与碳纤维间的电接触（如添加导电纳米材料）来提升综合性能。

结论与意义

本研究成功展示了一种基于多孔PES基质和EPD制备碳纤维电极的新型结构电池复合材料制造策略。该策略的核心创新在于利用NIPS工艺，在电池内部构建了一个同时满足力学支撑和离子传输需求的双连续结构。所制备的复合材料实现了结构材料级（~27 GPa模量）的力学性能和可循环充放电的电化学功能的结合。尽管在能量密度和循环寿命方面仍有巨大提升空间，但这项工作为开发真正“结构-功能一体化”的能源器件提供了切实可行的材料设计与工艺路线图。它打破了传统上力学与电学性能相互制约的思维定式，通过巧妙的微观结构设计，为下一代轻量化、高集成度的电子设备、电动交通工具和航空航天结构奠定了重要的技术基础。