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结构/储能一体化复合材料研究进展综述
顾涧潇飞机设计视界2023年07月27日08:31陕西
摘要
随着碳纤维材料自身电性能的研究深入和固态高分子电解质的不断发展,结构/
能一体化复合材料应运而生,成为近二十年来备受关注的一类新型材料。结构/储能一
体化复合材料能够在结构件中实现电能存,在目前全球乘用车电动化和电动飞机蓬
勃发展的大环境下,这种新材料正逐渐成为功能复合材料中的一个研究热点。文章聚
焦国内外结构/储能一体化复合材料领域主要科研机构的研究进展,分析了目前该领域
主要研究方向,并对结构/储能一体化复合材料的未来进行了展望。
碳纤维复合材料与金属材料相比,具有质轻、比强度高、比刚度高、可设计性
强、耐腐蚀等优点,是理想的结构减重材料。随着碳纤维复合材料在飞机、船舶、汽
车中的应用逐年上升,其应用部位正由次级承力结构向主承力结构过度,由单一结构
承载向结构/功能一体化发展。结构/储能一体化碳纤维复合材料是近年来备受关注的
新型功能复合材料,目前美国和欧盟均已经在这一领域开展了多项探索性的研究。然
而在我国,对结构/储能一体化复合材料研究较少,研究水平较低,与世界先进水平
仍存在差距。
结构/储能一体化复合材料国外研究进展
结构/储能一体化复合材料技术研发始于上世纪90年代。1995年,新日铁的日本
科学家TakashiIijim等人与山口大学合作,研究了不同碳材料的电学特征,证明了两
种商用碳纤维(沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维)在特定条件下具有吸附锂离子的
能力,可作为锂离子电池的负极材料。实验证明碳纤维电极在高温(1000℃)热处理
后具有不亚于石墨电极(375mAh/g)的良好的电容量(350mAh/g)及电池循环性
能。
碳纤维材料所具有的良好力学性能和电化学性能使结构/储能一体化碳纤维复合
材料成为可能。2000年起,美国陆军研究实验室、瑞典皇家理工学院和吕勒奥理工大
学、英国帝国理工大学等机构陆续发表了多种结构/储能一体化碳纤维复合材料的结
构及相关性能研究报告。
美国陆军研究实验室(简称U.S.ARL)
U.S.ARL是最早试制成功试片级结构/储能复合材料的研究机构。为满足美国陆军
武器装备后续研制需要,U.S.ARL首次进行了结构/储能一体化复合材料电池的设计与
制造。共设计了三种具备承载功能的复合材料原型。(图1)在这些结构/储能一体化
碳纤维复合材料设计中,电池的电极、电解质、隔膜、催化剂等组分均具有一定承载
功能。
2011-2015年,U.S.ARL先后申请了多个结构电容器的专利。2011年,U.S.ARL首
先申请了一类结构电容器专利(US7,864,505B1),专利中包括多种结构电容器设
计,这些结构电容器的刚度可达到10MPa~1000GPa,断裂强度1MPa~10GPa。其中
一种采用聚碳酸酯增强的结构电容器电容最高可达575pF。2013年,U.S.ARL发明了
一种新型结构电化学电容器(US8,576,542B2),这种电容器由一对电极和固态电解
质组成,能量密度不低于1nJ/g。2015年,U.S.ARL申请了一种结构电化学电容器的设
计方法(US9,190,217B2),系统的对改进结构电化学电容器的方法进行了总结。从
近年来的专利发表情况可以看出,U.S.ARL对结构/储能一体化电容器研究较深入,已
积累了丰富的实验数据和设计经验。
瑞典皇家理工大学(简称KTH)和吕勒奥理工大学(简称LTU)
2008年起,瑞典研究机构SICOMP组织一批瑞典研究人员在结构/储能一体化复合
材料技术领域展开探索研究。该研究是瑞典KOMBATT项目(轻质结构储能材料)的
重要组成部分,由瑞典战略研究基金(SSF)资助。
KTH通过实验测试了不同等级的商用PAN基碳纤维作为锂离子电池负极的基本电
化学性能。实验证明部分商用碳纤维具有良好的电化学性能,所对比的商用碳纤维
中,东邦特纳克斯公司所生产的中模碳纤维IMS65(拉伸模量290GPa,拉伸强度
6000MPa)在0.1C充电速率下可逆容量达350m
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