輕量儲能技術的需求正在推動汽車電池和其他電子產品用碳纖維復合材料的發展。

在移動和便攜式電子設備爆炸以及無人機和電動汽車（EV）的普及的推動下，這場研究競賽正致力于開發新的輕質材料用于儲能技術，特別是具有更長壽命和更高重量和體積效率的材料。碳和復合材料幾十年來一直是儲能系統的組成部分，其中一個顯著的例子是石墨碳，它包含鋰離子電池的陽極。陽極通常由金屬或金屬氧化物制成的碳纖維復合材料構成，再加上聚合物涂層、阻擋層和某種類型的陰極，形成電位，使電子流過電路。填充導電材料的碳纖維/聚合物基復合材料也被用于電磁干擾（EMI）屏蔽材料，廣泛應用于特種航天、汽車和消費電子等領域。

復合材料儲能的一個新興研究方法是通過最先進的材料將電池、燃料電池和電容器的質量最小化，最終目標是提高總功率密度。“如今的問題之一是，電池重量的50%左右可以用于不產生能量的部件，”IDTechEx（英國倫敦）高級技術分析師Rid Collins博士說，該公司對新興技術（包括先進材料）進行了獨立的市場研究。

例如，在為電動和混合動力汽車供電的電池組中，電力系統總質量的一個必要組成部分是電池外殼。汽車熱管理專家Zircotec Group（英國Abingdon）的技術總監Simon Hiiemae說：“高電壓電池，性能電動汽車可以達到1000伏以上，會產生很多射頻噪聲。”Hiiemae指出，保護集成在電動汽車中的敏感控制電子設備的一種方法是將電池放在金屬盒中，通常是鋁，用作法拉第籠，以吸收來自電池本身或周圍來源的電磁場或射頻干擾；然而，這增加了相當大的重量。用輕質碳纖維復合材料代替金屬可以減輕重量，但大多數復合材料對射頻噪聲是透明的，不能提供所需的干擾防護水平。

Zircotec集團推出了一種解決這一技術難題的方法：一種導電的兩部分涂層系統，可以很容易地應用于由碳纖維或玻璃纖維填充復合材料制成的電池外殼。涂層的第一層是一層薄的鋁合金粘合層，直接涂在復合材料上，不含任何溶劑或粘合劑，并提供保護電池不受干擾所需的導電性。第二，在第一金屬層上涂上陶瓷層，保護其不受磨損和腐蝕；此外，可以對該陶瓷層進行修改，以納入熱障保護，保護電池免受外部熱源的影響。Hiiemae報告說，許多汽車制造商正在對涂層進行測試；他說，與鋁相比，復合電池外殼可以節省高達4千克/平方米的重量。

多功能材料

在儲能行業也獲得了吸引力的是一種能夠產生電流或儲存電荷的結構層壓板，這種方法試圖將結構和電氣系統集成到耗電產品中。這類多功能材料20多年前首次提出并在研究中探索，主要針對特種和先進特種航天應用，在實現全面商業化的道路上仍然面臨著巨大的技術挑戰。然而，在過去的五到六年中，多功能材料的發展在幾個方面取得了實質性進展。

復合結構超級電容器（SSC）具有特殊的發展潛力，部分原因是其結構相對簡單。SSC通過電極/電解質界面處的靜電電荷積累來存儲能量，通常設計為兩個碳多孔電極的夾層結構，由一個膜隔開并嵌入具有高離子導電性的液體電解質中。傳統商用超級電容器提供高能量和功率密度、長周期壽命和在各種溫度和條件下可靠運行。idtechex公司的柯林斯說，雖然SSC有朝一日可以用于為火車或汽車提供動力，但最早的商業SSC應用可能是用于特種用途的無人駕駛飛行器（UAV）。柯林斯說：“集成到無人機中的SSC可以顯著延長射程和特種時間，這是一個關鍵的性能需求。”“此外，第一個商用SSC的建造成本很高，因此它們很可能最適合特種類型的項目。”

多功能材料研究步伐的加快有助于推動該技術走向商業化。例如，歐盟資助的一個項目“巫師”正在為電動和混合動力電動飛機的輕型結構儲能材料的研究提供支持。該項目旨在開發可用于結構電池和結構超級電容器的先進材料和技術。

另一個項目涉及IMDEA材料研究所（西班牙Getafe）的一組研究人員與歐盟資助的一些項目（如巫師項目，包括空客項目）的一些特種航天合作。該小組演示了一種新型的電雙層電容器（EDLC）的結構，這種電容器由薄夾層結構制成。這些結構是交錯的，包括碳納米管（CNT）纖維面紗和注入環氧樹脂的碳纖維層之間的離子型、液基聚合物電解質。Juan Jose Vilatela博士是多功能納米復合材料小組的成員之一，他說，該項目生產的復合材料對于分別達到88 mf/g和30 wh/kg的高比電容和功率密度是值得注意的。這比性能最好的結構材料高一到三個數量級。該材料的能量密度也為37.5Wh/kg，是目前研究的結構超級電容器的最高測量值之一。

Vilatela說，碳納米管具有比碳纖維織物大1000倍的表面積的固有優勢。碳納米管還具有很高的電化學穩定性。為了制造EDLC復合材料，在八層（4+4）Hexcel（Stamford，CT，US）Hexforce高強度碳纖維織物（G0926）之間設置一個薄的EDLC夾層，真空注入由Ashland Chemical（Columbus，OH，US）提供的環氧乙烯基酯樹脂Derakane 8084，并在48小時內完全固化。室溫。中間層由一個夾層結構組成，該夾層結構從中間向外包括一個約100-120微米厚的聚合物電解質膜，設置在兩個CNT纖維板之間，兩個CNT纖維板都固定在薄鋁集流板上。以鐵、硫催化劑和丁烷為碳源，采用直接紡絲法合成了碳納米管纖維。

在定位在碳纖維織物的外層之間之前，向夾層施加少量壓力，以將軟電解質膜浸漬到多孔CNT纖維板中。本研究所制備的EDLC樣品約為4平方厘米（典型層壓板結構梁的尺寸），盡管Vilatela說，自立式EDLCS可在不需要額外結構支撐的情況下使用，但其尺寸可高達100平方厘米。四點彎曲試驗中EDLC樣品的現場機電測量表明，電化學性能一直保持到斷裂點。考慮到該材料作為一種結構和儲能材料的應用，該試驗是對其性能的關鍵驗證。

IMDEA集團使用單向CNT織物建造SSC，將該項目與使用各種“活性”碳纖維織物作為儲能材料的類似并行工作區分開來。Vilatela等人引用的一個這樣的項目。發表在科學報告（2018年2月）上的論文，使用注入技術在碳纖維織物周圍生長高比表面積碳氣凝膠（CAG）。結合含有10%鋰離子的乙二醇基質，該技術產生的材料的計算能量密度僅為0.84 m wh kg，與包含CNT纖維的EDLC獲得的能量密度相比，該材料的能量密度較低。這項技術，特別是在使用高比表面積復合材料時，產生了一種剪切模量為895兆帕的復合材料，與傳統的結構復合材料相當。相比之下，IMDEA研究中的CNT復合材料的彎曲模量為60 gpa，彎曲強度為153 mpa，其值與典型的未填充聚酰亞胺相當，低于主要結構應用中使用的復合材料所需的強度和剛度特性。

每一個項目的結果都表明，在廣泛的筆觸中，開發完全商業化的多功能材料所面臨的挑戰之一，該材料適用于廣泛的應用領域：即，很難建造具有足夠電氣和結構性能的復合材料。

柯林斯認為，目前結構和電氣性能之間的權衡不會成為該技術采用和商業化的主要障礙。他說：“我不認為這些新型復合儲能材料結構性能的下降會限制其有效性，因為即使性能稍差的碳纖維增強材料，其強度和剛度仍足以在某些應用中發揮作用。”更大的問題，他認為，是如何設計和機械地整合固體聚合物電極和電絕緣但離子導電的分離器的問題。其他挑戰包括經濟有效的制造和安全。

汽車能源技術領先

然而，在汽車比賽中，先進材料儲能的未來已經到來。自2014年以來，第一款全電動FIA賽車系列的E級方程式賽車采用先進的多功能復合材料800V結構電池供電。電池技術是由威廉斯先進工程公司（英國格羅夫）開發和制造的，該公司是為E級方程式電網制造汽車電池的唯一供應商。典型的E級方程式賽車大約有250馬力（190千瓦），可以在3秒內從0加速到100公里小時（0到62英里小時），最大速度為225公里/小時（140英里/小時）。有關威廉斯高級工程公司（Williams Advanced Engineering）用于消費類車輛的結構電池系統（如電池電動FW-EVX）的更多信息，請參見CW 2018年11月的《專注于設計故事》（Focus on Design Story）“推動電動汽車向前發展”（Pushing EVS Forward）。

另一方面，現代汽車集團（韓國首爾）正利用SGL集團（德國威斯巴登）提供的氫燃料電池技術制造其零排放汽車Nexo。這輛生產型汽車涵蓋了汽車制造商和SGL多年的開發工作和合作，在此期間，現代優化了Ix35示范燃料電池汽車上的氫動力傳動系統和其他部件。自2018年3月開始生產以來，現代已報告平均每月銷售約45輛，如果能夠保持這種速度，那么將在2018年達到500輛以上的銷量，這是氫燃料電池汽車新的一年銷售記錄。

NEXO的核心技術是Sigracet燃料電池，一種由SGL開發和銷售的聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）。質子交換膜燃料電池（PEMFC）通過將氫燃料轉化為電能來產生電化學動力，其副產品只有水和熱。單個PEMFC電池由兩個流場組成，包括兩個氣體擴散層（GDL）和兩個碳支撐的貴金屬催化劑層，每個層由質子交換膜隔開。反過來，GDL是一種雙層結構，由大孔背襯材料（碳纖維紙）和微孔碳基層組成。膜電極組件被構建為一個分層的層壓板，其中一個GDL作為陽極，另一個GDL層作為陰極。PEMFC夾在由石墨、涂層鋼或鈦制成的兩個雙極板（BPP）之間。BPP構成了煙囪的結構部件，并且設計有通道來容納冷卻劑流和水出口。汽車PEMFC系統通常由多達400個電池組組成，功率輸出約為80至120千瓦。

復合材料在儲能方面正在取得進展，但要使更清潔、更輕的能源成為大規模的現實，將取決于在燃料電池、結構電池和結構超級電容器等先進技術方面的細節。

IDTechEx研究并評價了多種多功能聚合物復合材料的技術準備水平（TRL）。評級系統基于一系列標準，包括研究是否仍然主要是學術性的（產生較低的評級），技術是否正在原型化或測試（產生較高的評級），或者技術是否達到商業化（最高評級）。數據挖掘表明，根據IDTechEx的標準，用于儲能和儲能的多功能材料仍處于相對早期的開發階段——略高于自愈材料和完全嵌入的電路，但落后于電力傳輸和嵌入式傳感器。柯林斯指出：“例如，當你觀察SSC的電極時，其中一個挑戰就是如何適當地改善表面積。”“CNT顯示出了承諾，但仍有辦法在商業上證明這一點。”