隨著碳纖維材料自身電性能的研究深入和固態(tài)高分子電解質(zhì)的不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生,成為近二十年來(lái)備受關(guān)注的一類(lèi)新型材料。結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料能夠在結(jié)構(gòu)件中實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ),在目前全球乘用車(chē)電動(dòng)化和電動(dòng)飛機(jī)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下,這種新材料正逐漸成為功能復(fù)合材料中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。文章聚焦國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料領(lǐng)域主要科研機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展,分析了目前該領(lǐng)域主要研究方向,并對(duì)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料的未來(lái)進(jìn)行了展望。
碳纖維復(fù)合材料與金屬材料相比，具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是理想的結(jié)構(gòu)減重材料。隨著碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)、船舶、汽車(chē)中的應(yīng)用逐年上升，其應(yīng)用部位正由次級(jí)承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)過(guò)度，由單一結(jié)構(gòu)承載向結(jié)構(gòu)/功能一體化發(fā)展。結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化碳纖維復(fù)合材料是近年來(lái)備受關(guān)注的新型功能復(fù)合材料，目前美國(guó)和歐盟均已經(jīng)在這一領(lǐng)域開(kāi)展了多項(xiàng)探索性的研究。然而在我國(guó)，對(duì)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料研究較少，研究水平較低，與世界先進(jìn)水平仍存在差距。
結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料國(guó)外研究進(jìn)展
結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料技術(shù)研發(fā)始于上世紀(jì)90年代。1995年，新日鐵的日本科學(xué)家Takashi Iijim等人與山口大學(xué)合作，研究了不同碳材料的電學(xué)特征，證明了兩種商用碳纖維（瀝青基碳纖維和聚丙烯腈基碳纖維）在特定條件下具有吸附鋰離子的能力，可作為鋰離子電池的負(fù)極材料。實(shí)驗(yàn)證明碳纖維電極在高溫（1000℃）熱處理后具有不亞于石墨電極（375 m Ah/g）的良好的電容量（350 m Ah/g）及電池循環(huán)性能。
碳纖維材料所具有的良好力學(xué)性能和電化學(xué)性能使結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化碳纖維復(fù)合材料成為可能。2000年起，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、瑞典皇家理工學(xué)院和呂勒奧理工大學(xué)、英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)陸續(xù)發(fā)表了多種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能研究報(bào)告。
美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱(chēng)U.S.ARL)
U.S.ARL是最早試制成功試片級(jí)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能復(fù)合材料的研究機(jī)構(gòu)。為滿足美國(guó)陸軍武器裝備后續(xù)研制需要，U.S.ARL首次進(jìn)行了結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池的設(shè)計(jì)與制造。共設(shè)計(jì)了三種具備承載功能的復(fù)合材料原型。（圖1）在這些結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，電池的電極、電解質(zhì)、隔膜、催化劑等組分均具有一定承載功能。
2011-2015年，U.S.ARL先后申請(qǐng)了多個(gè)結(jié)構(gòu)電容器的專(zhuān)利。2011年，U.S.ARL首先申請(qǐng)了一類(lèi)結(jié)構(gòu)電容器專(zhuān)利（US7,864,505B1），專(zhuān)利中包括多種結(jié)構(gòu)電容器設(shè)計(jì)，這些結(jié)構(gòu)電容器的剛度可達(dá)到10MPa～1000GPa，斷裂強(qiáng)度1MPa～10GPa。其中一種采用聚碳酸酯增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)電容器電容最高可達(dá)575p F。2013年，U.S.ARL發(fā)明了一種新型結(jié)構(gòu)電化學(xué)電容器（US8,576,542B2），這種電容器由一對(duì)電極和固態(tài)電解質(zhì)組成，能量密度不低于1n J/g。2015年，U.S.ARL申請(qǐng)了一種結(jié)構(gòu)電化學(xué)電容器的設(shè)計(jì)方法（US9,190,217B2），系統(tǒng)的對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)電化學(xué)電容器的方法進(jìn)行了總結(jié)。從近年來(lái)的專(zhuān)利發(fā)表情況可以看出，U.S.ARL對(duì)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化電容器研究較深入，已積累了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
瑞典皇家理工大學(xué)（KTH）和呂勒奧理工大學(xué)（LTU)
2008年起，瑞典研究機(jī)構(gòu)SICOMP組織一批瑞典研究人員在結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)探索研究。該研究是瑞典KOMBATT項(xiàng)目（輕質(zhì)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能材料）的重要組成部分，由瑞典戰(zhàn)略研究基金（SSF）資助。
KTH通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同等級(jí)的商用PAN基碳纖維作為鋰離子電池負(fù)極的基本電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)證明部分商用碳纖維具有良好的電化學(xué)性能，所對(duì)比的商用碳纖維中，東邦特納克斯公司所生產(chǎn)的中模碳纖維IMS65（拉伸模量290 GPa，拉伸強(qiáng)度6000 MPa）在0.1C充電速率下可逆容量達(dá)350 m Ah/g，接近石墨電極的理論容量（375 m Ah/g）。2012年，KTH研究人員就鋰化反應(yīng)和電化學(xué)循環(huán)對(duì)于碳纖維拉伸性能的影響進(jìn)行了探索。研究表明碳纖維在嵌鋰反應(yīng)時(shí)出現(xiàn)極限拉伸強(qiáng)度損失并沿纖維方向膨脹，脫鋰反應(yīng)時(shí)材料的極限強(qiáng)度部分回復(fù)并出現(xiàn)纖維收縮現(xiàn)象，而在1000次電化學(xué)循環(huán)后，碳纖維電極的拉伸性能和微觀形貌沒(méi)有明顯變化。這些研究成果為后續(xù)設(shè)計(jì)并制造結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料奠定了基礎(chǔ)。
KTH隨后開(kāi)展了具有承載功能的固態(tài)高分子電解質(zhì)（簡(jiǎn)稱(chēng)SPE）的研究。KTH通過(guò)一種快速的無(wú)溶劑工藝將鋰鹽和光引發(fā)劑分散在單體混合物中，合成了多種光固化環(huán)氧丙烯酸固態(tài)電解質(zhì)。這些固態(tài)電解質(zhì)中鋰鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)4%，在20℃時(shí)楊氏模量為0.8MPa～1.5 GPa不等。電解質(zhì)的導(dǎo)電性與材料剛度存在相關(guān)性，合成的固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電性最高可達(dá)1.5×10-6 S/cm。2013年，KTH發(fā)表了基于硫醇烯光固化反應(yīng)的合成方法，通過(guò)加入少量硫醇，在提高SPE導(dǎo)電性的同時(shí)，不損失剛度，合成的多種固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率可達(dá)8×10-7S/cm,20℃是楊氏模量由2 MPa至2 GPa不等。
2013年，LTU的L.E.Asp與SICOMP的研究人員為驗(yàn)證ARL的電池設(shè)計(jì)，制作了兩種碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化層合電池。電池結(jié)構(gòu)包括三部分，分別是碳纖維編織布負(fù)極，玻璃纖維編織布隔膜和涂覆磷酸鐵鋰（Li Fe PO4）的鋁編織布制成的正極。電池結(jié)構(gòu)分別通過(guò)固態(tài)高分子電解質(zhì)和高分子凝膠電解質(zhì)（Polymer gel electrolyte）復(fù)合而成。（圖3）這種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化層合電池的拉伸模量?jī)?yōu)于玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料（23 GPa），達(dá)到了35 GPa，電池的開(kāi)路電壓（OCP)3.3 V，能量密度116Wh/kg，基本接近鋰鈷電池的性能（OCP=3.3 V，能量密度130 Wh/kg）。
同年，LTH與SICOMP也發(fā)表了一種為汽車(chē)制造業(yè)研發(fā)的碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化層合電容器制備方法。該方法通過(guò)將三種介電高分子（PA;PET;PC）隔膜置于兩層碳纖維編織布環(huán)氧預(yù)浸料之間，利用真空成型工藝制成具有電容器特性的復(fù)合材料層板。研究人員對(duì)比三中電容器的電性能發(fā)現(xiàn)，隔膜厚度越薄，電容率越高，介電強(qiáng)度越低，當(dāng)采用PET隔膜時(shí)，電容率最高可達(dá)1860 n F/m2。同時(shí)，力學(xué)性能測(cè)試也證明結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能電容器具有優(yōu)于玻璃鋼復(fù)合材料的機(jī)械性能。
2014年至今，KTH、LTH及SICOMP的研究人員持續(xù)推進(jìn)了結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池和電容器的研究。2014年，KTH的Eric Jacques進(jìn)一步研究了嵌鋰過(guò)程對(duì)碳纖維力學(xué)性能的影響，分析了不同嵌鋰程度的碳纖維電極抗拉剛度和極限拉伸強(qiáng)度的變化，認(rèn)為碳纖維電極經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)后力學(xué)性能下降的原因是部分鋰離子在脫鋰過(guò)程中滯留在碳纖維束的缺陷區(qū)域造成的。2015年，Leif Asp小組研究了碳纖維表面涂覆高分子涂層后對(duì)其疲勞性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)高分子涂層能夠有效改善碳纖維的疲勞性能，同時(shí)涂層本身未受到長(zhǎng)期機(jī)械疲勞的影響。這一發(fā)現(xiàn)可用于未來(lái)改進(jìn)結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池的疲勞性能和電性能。
2018年，在瑞典能源局的支持下，KTH聯(lián)合查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers Universityof Technology）和帕德博恩大學(xué)（Universityof Paderborn）設(shè)計(jì)了一種超薄單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電極。超薄電極在10次充放電循環(huán)后力學(xué)性能未下降，且電容量穩(wěn)定為200m Ah/g。同年，KTH發(fā)表了一種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池的綜合設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)了三種不同的新型結(jié)構(gòu)電池。三種不同結(jié)構(gòu)電池的測(cè)試結(jié)果證明，在進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)電池設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用經(jīng)典層合版理論估算結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池的彈性性能，或利用碳纖維電極及結(jié)構(gòu)電解質(zhì)的電參數(shù)也能夠估算出整體電池結(jié)構(gòu)的電性能。
英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)（ICL)
ICL在結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料方面的研究更加工程化，已經(jīng)取得了一定工程化應(yīng)用研究成果。ICL采用改性碳纖維材料設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料超級(jí)電容器。并與Volvo公司合作，首次將結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)結(jié)構(gòu)中，在減重的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能功能。超級(jí)電容器是利用外加電壓下電解質(zhì)與電極界面間的電荷分離現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)快速儲(chǔ)能功能的，電極與電解質(zhì)間的接觸面積大小決定了超級(jí)電容器容量。因此，提高電極的比表面積能極大提升超級(jí)電容器的儲(chǔ)能效果。
為研發(fā)高性能的結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料超級(jí)電容器，ICL的研究人員開(kāi)始進(jìn)行碳纖維電極的活化研究。研究中對(duì)比了物理活化（在空氣及CO2氧化活化）和化學(xué)活化（HNO3酸洗活化和KOH堿洗活化）過(guò)程對(duì)常用商用碳纖維的影響。研究表明，采用KOH進(jìn)行化學(xué)活化能夠在不損傷碳纖維拉伸強(qiáng)度的情況下，將碳纖維的比表面積由0.21 m2/g提高至23.3 m2/g，其電極性能提升50倍。
2013年，ICL繼續(xù)提出了利用碳?xì)饽z（CAG）改性碳纖維織物作為電極制備電容器的方法。制備CAG改性碳纖維電極的方法，首先將碳?xì)饽z前驅(qū)體間苯二酚-甲醛與催化劑KOH充分混合，隨后將混合物通過(guò)浸漬/注射方法充分浸潤(rùn)碳纖維編制布中，最后將碳維編制布在N2環(huán)境中800℃碳化30 min得到改性碳纖維電極。這種改性方法可以大幅度提高電極的電極容量，最高可達(dá)62 F/g。利用改性電極制備的電容器能量密度可達(dá)1 Wh/Kg(3600 J/kg），較ARL制備的結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化電容器（能量密度10-6J/Kg）有極大的提升。
ICL在用于結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料的高分子電解質(zhì)改性方面也有研究。研制了一種基于雙連續(xù)相離子液體-環(huán)氧樹(shù)脂體系的新型結(jié)構(gòu)電解質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)電解質(zhì)室溫下離子導(dǎo)電率達(dá)0.8 m S/cm，楊氏模量0.2GPa，合成路線見(jiàn)圖5。
ICL與Volvo公司合作，利用CAG改性碳纖維電極與上述新型結(jié)構(gòu)電解質(zhì)復(fù)合制成大尺寸結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料汽車(chē)部件，首次實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料的工程應(yīng)用。制成的汽車(chē)尾箱蓋較傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)減重60%，同時(shí)能夠?yàn)槠?chē)LED裝飾燈提供持續(xù)電源。（圖7)2014年，這種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電容器制備技術(shù)已申請(qǐng)美國(guó)專(zhuān)利。（專(zhuān)利號(hào)：US8659874 B2)
綜上所述，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料的研究正在由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的理論研究向工程化研究轉(zhuǎn)移，雖然現(xiàn)階段已有的結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池和電容器的電性能仍不理想，材料的力學(xué)性能與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比也存在差距，但隨著相關(guān)研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料的發(fā)展前景廣闊。尤其是近年來(lái)歐盟掀起的乘用車(chē)全電動(dòng)化計(jì)劃和多項(xiàng)新環(huán)保法令的頒布，將進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)研究的發(fā)展。
圖7 ICL與Volvo合作研制的結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料尾箱蓋
結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
國(guó)內(nèi)關(guān)于結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料研究的起步較晚，相關(guān)研究報(bào)道始于2014年，近年來(lái)呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)較為系統(tǒng)研究了結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電容器的單位是蘇州大學(xué)。2017年，北京航空航天大學(xué)發(fā)表了一種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化電池的制備方法。
2014年，江蘇大學(xué)的李素敏博士開(kāi)展了活化碳纖維電極的研究，對(duì)東麗公司生產(chǎn)的T300碳纖維編制布（3K）進(jìn)行了活化處理。采用先化學(xué)氧化（HNO3）后熱處理的方式將T300編織布的比表面積提高了45倍，但處理后的碳纖維拉伸強(qiáng)度降低20%,2016年，李素敏博士發(fā)表了利用環(huán)氧基膠質(zhì)高分子電解質(zhì)與PEGDGA（聚乙二醇二縮水甘油醚）混合后添加TBAPF6（四丁基六氟磷酸銨）離子鹽合成高分子電解質(zhì)。這種高分子電解質(zhì)電壓窗口為2.7V，室溫離子導(dǎo)電率為10-5S/cm，將其與活化T300碳纖維編織布復(fù)合而成的一種新型結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電容器具有3F/g的容量。
2017年，北京航空航天大學(xué)采用T700碳纖維（12K）作為電極和增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹(shù)脂和液態(tài)電解質(zhì)混合物作為基體，通過(guò)真空輔助注射成型工藝制備了結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池。在試驗(yàn)中樹(shù)脂體系是由E51,AG80及固化劑的混合物組成的，液體電解質(zhì)為1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，碳酸丙烯和雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰的混合物。材料制備路線見(jiàn)圖8。通過(guò)調(diào)整液態(tài)電解質(zhì)與環(huán)氧樹(shù)脂的比例制備了4種結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池，其首次放電容量由12 m Ah/g至25 n Ah/g不等，然而電池循環(huán)性能不佳，20次循環(huán)后，電池充放電容量均大幅下降。2018年，趙丹妮發(fā)表關(guān)于鋰離子電解液/環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂固態(tài)電解質(zhì)的制備與性能測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了不同比例離子電解液對(duì)固態(tài)電解質(zhì)的電性能和力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果證明，添加40%電解液時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)的整體性能最優(yōu)。
結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)
結(jié)構(gòu)承載復(fù)合材料電極研究
結(jié)構(gòu)承載復(fù)合材料電極應(yīng)兼具優(yōu)良的儲(chǔ)能性能和力學(xué)性能。然而，傳統(tǒng)碳纖維材料的電化學(xué)性能偏低，不能滿足高性能碳纖維復(fù)合材料電極的要求。因此，針對(duì)電極材料的需要，對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性，提高碳纖維比表面積和電化學(xué)性能，同時(shí)最大限度保持碳纖力學(xué)性能是研究的重點(diǎn)。
圖8 北航結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池成型路線
結(jié)構(gòu)電解質(zhì)研究
電解質(zhì)是儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中提供離子傳遞通道的關(guān)鍵材料。結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料研究中，結(jié)構(gòu)電解質(zhì)必須兼具高離子電導(dǎo)率和合理的力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)電解質(zhì)制備的主要手段是將液態(tài)、凝膠態(tài)、固態(tài)電解質(zhì)與結(jié)構(gòu)樹(shù)脂（環(huán)氧樹(shù)脂等）進(jìn)行混合，形成具有高離子電導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)電解質(zhì)樹(shù)脂基體。國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)，高離子電導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)電解質(zhì)力學(xué)性能差，而具有優(yōu)良力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低。結(jié)構(gòu)電解質(zhì)的功能性和力學(xué)性能呈負(fù)相關(guān)。因此，在樹(shù)脂功能性和力學(xué)性能間尋求平衡是結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料研究的重點(diǎn)。
纖維/結(jié)構(gòu)電解質(zhì)界面性能研究
結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究是結(jié)合電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)為一體的研究。在傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合復(fù)合材料電極和結(jié)構(gòu)電解質(zhì)研究的成果，集成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池。復(fù)合材料電池應(yīng)具備在一定載荷下穩(wěn)定輸出電流的能力，且電池容量符合設(shè)計(jì)要求。研究的重點(diǎn)是如何匹配復(fù)合材料電極、樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)電解質(zhì)和正極材料得到更高的能量密度和更強(qiáng)的力學(xué)性能。
結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化電池/電容器研究
結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料電池/超級(jí)電容器是現(xiàn)階段的一項(xiàng)研究重點(diǎn)。研究不同結(jié)構(gòu)電極、隔膜及結(jié)構(gòu)電解質(zhì)間不同組合對(duì)電池/電容器儲(chǔ)能效果影響。優(yōu)化結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料的儲(chǔ)能效率。同時(shí)積極探索新型結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化電池/電容器設(shè)計(jì)方法。
安全性與工程性研究
結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料需要具有承載和儲(chǔ)能兩種功能，所以應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展載荷下材料儲(chǔ)能效果和儲(chǔ)能對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究。同時(shí)需要注意開(kāi)展材料安全性研究，如極限工況下結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化電池是否會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象等研究。
展望
1971年，東麗與美國(guó)聯(lián)合碳谷公司首次實(shí)現(xiàn)T300級(jí)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)后，碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，已逐步成長(zhǎng)為僅次于金屬的關(guān)鍵工業(yè)材料。在未來(lái)十年內(nèi)，除了著眼于提高碳纖維自身力學(xué)性能的研究外，另一個(gè)主要研究方向?qū)⑹抢脧?fù)合材料多層可設(shè)計(jì)的特性，開(kāi)發(fā)并完善功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料擴(kuò)展了復(fù)合材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用，在鋰電池能量密度逐漸接近理論上限的大背景下，結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料將是未來(lái)電動(dòng)飛行器、電動(dòng)汽車(chē)等新能源運(yùn)輸工具的理想儲(chǔ)能擴(kuò)展方案。隨著相關(guān)研究的不斷推進(jìn)，開(kāi)發(fā)出同時(shí)具備高強(qiáng)度和高儲(chǔ)能密度的結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化復(fù)合材料指日可待。
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