在多功能结构电池中，材料成分的机械性能和电化学性能之间的协同作用可以节省重量并提高能源效率。因此，结构电池可以减轻电动汽车的超重或使便携式电子设备更薄。这需要结合最佳的复合材料和电池制造实践。在目前的研究中，通过将碳纤维基电极堆叠并用混合聚合物-液体电解质浸渍来实现这一目标。实现的全电池结构电池基于碳纤维电极，正极涂有磷酸铁锂 (LiFePO4)。这种电池层压板在能量密度、刚度和强度之间实现了非常好的平衡，分别为 33.4 Wh/kg、38 GPa 和 234 MPa。

 

 

 

一、 引言

 

当前，电动汽车和飞机的续航能力受限，主要原因在于电池的能量密度和电池包的重量。为了解决这个问题，结构电池的概念应运而生。结构电池将电池的功能集成到结构材料中，实现重量和体积的减少，从而提升能量效率。结构电池的研究已有20年历史，但仍存在能量密度和机械性能难以兼顾的问题。现有的结构电池大多采用传统的电池材料，如石墨负极和金属锂正极，这些材料的机械性能较差，无法满足结构电池对强度的要求。此外，现有的结构电池制造工艺复杂，难以实现大规模生产。

 

近日，国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由瑞典皇家理工学院工程力学系和化学工程系的研究团队完成的有关具有碳纤维电极的结构电池的研究成果。该研究开发了一种全碳纤维固态结构电池，通过将正负极材料、隔膜和电解质集成到碳纤维复合材料中，实现了高能量密度和高机械性能的平衡。论文标题为“A structural battery with carbon fibre electrodes balancing multifunctional performance”。

 

二、研究内容及方法

 

1.材料和方法

用于制造全碳纤维结构电池的材料包括碳纤维、玻璃纤维、锂离子电池隔膜、电解质成分等。碳纤维电极制备采用了两种碳纤维（T800S 和 IMS65）作为电极材料。正极电池的制备将 LFP, CNF 和 PEI 混合后过滤到 IMS65 碳纤维上，并进行热处理，负极的制备则使用商用 T800S 碳纤维。

 

结构电池的制备将正负极、隔膜和电解质按照一定的顺序堆叠，形成电池堆叠结构。使用真空灌注技术将 SBE 浸润到电池堆叠结构中，将浸渍后的电池堆叠结构进行固化，形成结构电池。

 

图 1. 结构电池的制造过程。（a）首先通过将基于 LFP 的化合物过滤通过 CF 丝束来制造结构正极。对沉积材料进行热处理可实现电化学活性 LFP 网络。（b）负极和正极以及隔膜材料在真空袋中组装在一起。（c）将包含干式堆栈的真空袋注入结构电池电解质 (SBE)。

 

2.结果和讨论

 

对所制备的结构电池的电极制备工艺、电池组装工艺以及电化学性能进行测试，结果显示，该电池在0.05C倍率下，能量密度可达33.4 Wh/kg，且具有优异的循环稳定性和库仑效率。此外，文章还展示了两种全电池类型的放电能量密度与全电池质量的功率密度的关系图，表明Type 2全电池在较快的C率下能量密度下降。

 

通过扫描电子显微镜观察了电池横截面，发现电解质在各个层中均匀分布，并保持了多孔形态。此外，通过能谱分析确认了正极涂层的存在，并观察到LFP颗粒的紧密排列和碳包覆LFP颗粒之间的紧密接触，有利于电子传输。然而，正极层中纤维分布和压实程度的变化可能导致层压板机械性能的差异。

 

图 2. 循环 1 型结构电池横截面的 SEM 成像。

该部分测试了电池的力学性能，发现电化学循环对纵向性能影响不大，这归因于碳纤维本身在电化学循环中的稳定性。然而，会显著降低横向性能。这可能是由于循环过程中负极与隔膜之间的界面损伤导致的。此外，正极涂层的厚度对力学性能影响不大，而提高纤维体积分数可以提高纵向刚度。

 

图 3. 机械测试和设置。(a、b) 配备 DIC 的机械测试装置图片；(c) DIC 相机的视觉效果；(d、e) 纵向 (d) 和横向 (e) 样品的 DIC 校正应力 - 应变曲线。

结构电池展示了出色的能量密度、弹性模量和强度，并且在特定条件下，甚至达到了更高的刚度和强度。将该研究的电池与现有技术进行了比较，研究发现，尽管本研究电池的面积能量密度较低，但其质量能量密度与现有技术相当。通过改进制造工艺和电池设计，可以进一步提高电池的性能，使其满足航空和汽车应用的需求。

 

图 4. 最新研究和性能目标。已发表的研究显示为黑色标记，已发表的目标性能显示为蓝色圆圈，其中的数字代表数字来源的参考文献。目标性能划定了一个更大的浅蓝色区域。红色虚线代表对未来进步的期望。

 

三、小结

 

该研究开发了一种全碳纤维固态结构电池，实现了能量密度和机械性能的良好平衡。该电池在 0.05C 下的能量密度达到 33.4 Wh/kg，0.025C 下达到 37 Wh/kg，弹性模量为 38 GPa，抗拉强度为 234 MPa。该研究为未来轻量化电动汽车和飞机的能源存储提供了新的解决方案，具有重要的理论意义和应用价值。

 

原始文献：

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.

原文链接：

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

 

 

来源：复合材料力学

关键词： 电池