香港理工黄海涛/南科大周利民MTE综述：结构储能器件

第一作者：周悍墨

通讯作者：黄海涛，周利民

通讯单位：香港理工大学，南方科技大学

【研究亮点】

1.综述了复合材料结构电池和结构电容的研究进展。

2.讨论了固态聚合物电解质的重要性及其难点与挑战。

3.介绍了一种评估复合材料结构储能器件多功能性的方法。

4.对复合材料结构储能器件的应用前景进行了展望并提出了几种新式的结构设计。

【研究背景】

在工程应用中，轻量化设计一直是人们追求的目标之一。为了实现这一目标，研究者们提出了多功能材料（或结构）的概念，即单一的材料（或结构）可以同时为系统提供两种或以上的功能。这一概念的提出为结构的优化设计提供了更多的可能。近年来，具有多功能性（能够同时提供高机械强度并具有良好储能能力）的碳纤维增强复合材料结构储能器件在其相关领域备受瞩目。这种结构储能器件非常适用于需要高机械强度和高电容量的结构中，如电动汽车，无人机以及房屋建筑等。它在单个结构中可以同时作为结构单元和能量储存单元，也就是说能够代替传统结构中的外部框架和内部能源器件（如电池，超级电容等），从而缩小整体结构的体积，同时减轻总体的重量。虽然复合材料结构储能器的概念非常有吸引力，但是其实际的发展进程并不令人满意。在复合材料结构储能器件的研究中，高机械强度、高离子导电率的固态聚合物电解质的制备是最大的挑战。此外，结构设计、加工工艺等方面也存在诸多问题。

有鉴于此，近日香港理工大学黄海涛教授和南方科技大学周利民教授团队联合在Mater. Today. Energy期刊上发表了题为“Structural Composite Energy Storage Devices-a Review”的综述文章。本文总结了已报道的复合材料结构电池和结构电容的结构设计，并详细介绍了碳纤维电极和固态聚合物电解质的发展现状。本文还讨论了不同隔膜对系统性能的影响，并评估了几种有关复合材料结构储能器件的加工方法。此外，在讨论现有结构的同时，还提出了对复合材料结构储能器件的几种新结构设计。展望未来，预计复合材料结构储能器件将在许多工程应用中发挥革命性的作用，例如便携式电子设备、电动汽车、无人机甚至土木建筑。文中的多功能性均指材料或器件同时具有机械性能与电化学性能。

【图文简介】

图1.复合材料结构储能器件的多功能性及其在汽车和建筑中的应用

要点1：复合材料结构储能器件在汽车和建筑中的应用解析

图1a总结了复合材料结构储能器件相关力学方面与电化学方面的特性。基于这些特性，我们列举了它在电动汽车和房屋建筑中的应用，如图1b所示。对于在电动汽车中的应用，汽车的框架、车门、车篷及引擎盖等外壳结构可以用复合材料结构储能器件加工制成，使整个车体在具有足够高强度机械性能的同时还能够代替原本电池的功能为发动机提供能量。这样即节省了空间，提高了安全性能，并且也减轻了车身的重量。在房屋建筑中，复合材料结构储能器件可以作为墙体材料，同时也能储存电能。在一些紧急情况下，如停电等，复合材料结构储能器件可以为建筑内部的设施提供电能保证人们的正常生活。

图2.结构电池不同的结构设计和特点

要点2：现有的结构电池种类与各种类的特点

图2列举了4种现有的结构电池的种类（同结构电容）并归纳总结了每种结构的优缺点。其中，包装式结构是由两个单功能子元件组成。碳纤维复合材料（力学单元）仅提供机械强度，嵌入的储能装置（能量单元）仅提供电能。而其他三种结构均由多功能组件组成。例如在改进式纤维结构中，碳纤维在作为电极的同时还作为增强体为整个结构提供足够的机械强度，固态聚合物电解质在提供离子传输通道的同时还作为基体保护碳纤维电极。

图3.固态聚合物电解质的制作方法及形貌

要点3：双连续相固态聚合物电解质的发展

现阶段，在复合材料结构储能器件中主要应用双连续相固态聚合物电解质作为基体与电解质材料。图3展示了双连续相固态聚合物电解质的制备方法以及几种不同的SEM形貌图。目前来讲，双连续相固态聚合物电解质仍处于发展阶段，其机械性能与离子导电率仍有待提高。

图4.复合材料结构储能器件多功能性的比较

要点4：复合材料结构储能器件多功能性的评判标准

为了评估复合材料结构储能器件的多功能性，应从整体上考虑器件的机械性能和电化学性能。基于 Javaid 和 Sha 等人的工作，我们建议使用多功能系数_mf来评估复合材料结构储能器件的整体多功能特性。多功能系数_mf是由器件的机械性能系数_M与电化学性能系数_E相加而得。在图4中我们对几个已报道的复合材料结构储能器件进行了多功能性的对比。当多功能系数_mf大于1时表示此器件具有较好的多功能性。且越靠近图的右上角，表示器件具有越高的多功能性。

图5.复合材料结构储能器件的未来结构设计与展望

要点5：复合材料结构储能器件的展望

图5列举了我们对复合材料结构储能器件未来发展的一些设计与想法。其中，(a)为碳纤维正极材料的设计，(b)为器件整体结构的设计。此外，我们还认为在未来的复合材料结构储能器件中碳纤维电极也可被其他材料替代。Wang等人已经报道了碳化的红砖可以作为电极应用于建筑之中，如图5c所示。此外，一些大自然的材料，如竹子或中空的木头，也可被碳化后作为电极，然后将固态电解质注入到中空处制作成结构储能器件。这样既能保护环境，同时也能降低成本。

【总结】

本综述主要关注了复合材料结构储能器件中结构电池和结构电容的最新发展。碳纤维由于其优异的多功能性能而成为良好的电极候选材料。我们还详细总结了改性碳纤维电极在复合材料结构电池和结构电容中的发展以及双连续相固态聚合物电解质的形态和性质。此外，不同隔膜对系统性能的影响也被提及。我们还介绍了两种不同的复合材料结构储能器件的制造方法以及对预浸料技术用于加工结构储能器件的畅想。接着，我们介绍了多功能系数，为器件多功能性提供了评估标准。在未来展望部分，我们提出了复合材料结构储能器件的几种新型结构设计及其可能的应用场景，为它的进一步发展提供了新的途径。复合材料结构储能器件的最大优势在于它的使用能够减少整个系统的重量和体积，有利于系统优化，这对现在和未来工程应用的发展都非常具有吸引力和意义。尽管复合材料结构储能器件的研究在过去十年中发展迅速，但目前仍处于发展的早期阶段。

期刊介绍：