碳纤维增强结构Trojan蓄电池：迈向自由形态多功能储能系统

电动轿车、无人机及相关技能的快速开展，对轻量化、高能量密度和长续航储能体系产生了迫切需求[[1],[2],[3]]。结构电池（SBs）作为一种新式多功用资料，既能接受机械载荷又可存储能量，为传统电池体系供给了极具远景的代替方案[[4],[5],[6],[7]]。该技能正在革新结构与储能元件的规划范式，使这两种功用完成无缝交融[8,9]。这一立异的核心在于将传统电池的电化学功用与复合资料的机械强度相结合[10,11]，经过多标准规划战略将结构部件转化为电池。例如，用结构电池代替车顶等传统车身部件可使全体质量削减达20%，同时延长续航路程[12]。除电动轿车外，结构电池在航空航天、无人飞翔体系以及下一代人形机器人等范畴具有广泛使用潜力（图1). 这些电池通常被规划为具有杂乱曲率的自在形状结构元件，以满意特定的功用和几许要求[13]。在此布景下，碳纤维(CF)复合资料至关重要，因为它们既能减轻分量，又能前进强度和多功用性[14]。因而，将CF复合资料集成到结构电池中具有重要的实际意义和技能价值。
碳纤维增强聚合物（CFRPs）因其高比强度、优异刚度、低密度和卓越的抗疲劳功用，被广泛使用于航空航天、轿车及其他技能范畴[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。研讨人员经过定制规划碳纤维复合资料片层，使用其优异的力学功用，开宣布适配电池结构的耦合体系。值得注意的是，碳纤维增强结构电池（CFRSBs）的功用集成发生在资料层面，其核心组件（如阳极、阴极和电解质）均呈现多性向特性（图1）。自美国陆军研讨试验室首次提出CFRSBs概念以来，该范畴已取得明显发展，从基础资料开发开展到体系集成[20]。在接下来的十年间，全球研讨机构经过试验验证与模仿优化继续推进该技能的立异与使用[15,[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。Gray等学者近期开展的综合性分析[31]进一步提醒了碳纤维基阳极相较于其他结构阳极资料的电化学优越性，强调了其在同步完成高能量容量与机械增强方面的两层功用。这一认知进一步巩固了碳纤维作为结构电池开发中最具远景电极资料的定位。
例如，Mauro等人[32]对P2012 Voyager混合动力飞机装备的评估标明，选用精选的混合结构电池体系可使燃油消耗降低18-20%，结构质量削减约10%。此外，研讨显现用具有同等比能量的碳纤维增强结构电池（CFRSBs）代替传统电池，可能使巡航航程提高一倍[22]。在全电驱动体系中，能量存储单元与结构部件通常构成质量占比最大的两个子体系。详细而言，在电动轿车中，这两个组件的质量占比别离达到总分量的约30%和40%[33]。以平行混合动力A320飞机为例，若选用能量密度超过200瓦时/千克的结构电池−1在1500公里任务剖面中可将燃油功率提高高达15%[34]。
经过选用多功用复合资料，结构电池完成了储能容量与机械完整性的同步提高。这一效果源自对电极、电解质和隔阂的优化规划。近期研讨标明，该技能可使电动轿车续航路程提高高达70%，并延长无人机悬停时刻约41% [12]。总之，碳纤维增强结构电池经过代替传统结构部件，同时提高储能功用，供给了两层优势（图1）。该方法打破传统叠层电池的能量密度束缚，使资料兼具结构支撑与能量储存两层功用。
虽然自在形状结构电池在工业电力体系中具有宽广的使用远景——包括电动轿车、无人机体系和下一代机器人技能的使用——其试验发展却相对缓慢，这主要归因于其非平面几许结构固有的杂乱性。当时结构电池范畴的研讨范式表现出明显的"理想化误差"，因为大多数研讨都集中于层压板与夹芯板等平面构型[1,5,[35], [36], [37]]。这些研讨主要致力于提高资料层面的离子电导率并优化界面结合功用[38]。虽然此类研讨对基础知识的前进奉献明显，但仍未能满意对具有杂乱曲面结构的集成化电池的实际工程需求。
自在形状结构电池是指能够习惯杂乱非平面几许构型（如车体面板、无人机机翼、可穿戴设备轮廓）的储能复合资料。该规划范式打破了平面层压结构的束缚，完成了空间使用率、空气动力学功率与美学自在度的最大化。然而其固有的几许杂乱性带来了前所未有的应战：高曲率区域的应力集中、均匀离子传导通道的保持难度、变形条件下的界面分层危险，以及共形集成制作的局限性。虽然平面结构电池已取得明显发展，针对这些自在形状特有束缚的研讨仍处于起步阶段。本总述批判性地审视了碳纤维基电极、结构电解质及其集成工艺的发展与继续存在的瓶颈问题，特别聚集于完成可行自在形状结构电池的技能途径。
为应对这些要害问题，本研讨对碳纤维增强结构电池（CFRSBs）的技能瓶颈与发展进行了体系性探究。论文全面总述了要害规划与制作要素，并深入分析了当时技能下完成自在形状结构电池所面对的应战。同时探讨了打破这些束缚、加快从平面结构向杂乱几许形状过渡的潜在战略。基于此，本文梳理了碳纤维在结构电池中的当时使用现状，评估了其多功用特性，并要点评论了面向新一代多功用储能体系的自在形状结构电极的未来研讨方向。