导读
背景
碳纤维（carbon fiber），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维，沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，已广泛应用于航天、航空、 汽车、 电子、 机械、化工、轻纺等民用领域，以及飞机制造等军工领域。
具有碳纤维车身壳体的McLaren F1超级跑车（图片来源：维基百科）
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用碳纤维材料装饰的空中客车A350飞机（图片来源：维基百科）
创新
近日，瑞典查尔姆斯理工大学领导的一项研究表明：碳纤维可作为电池电极使用，直接存储能量。这项研究为结构电池带来了新的机遇。在结构电池中，碳纤维可以变成能量系统的一部分。这种多功能材料将显著降低未来飞机与车辆的重量。
对于电气化来说，减重是一项关键挑战。未来的客机需要比目前轻得多，从而变为电动的。同样，对于车辆来说，减重也非常重要，有利于延长一次充电的行驶距离。
研究人员的愿景是车辆车身或者飞机机身的大部分由结构化的锂离子电池组成。多功能的碳纤维材料可作为电池电极以及承重材料。（图片来源：Yen Strandqvist）
技术
查尔姆斯理工大学材料与可计算机力学专业教授 Leif Asp 的研究表明，碳纤维不仅是一种增强材料，还能胜任更多的任务，例如用于存储能量。
Leif Asp 的身边是碳纤维线。结构化的锂离子电池中的电极是由聚合物中的碳纤维线网络组成。每根线都是由24000根碳纤维组成。（图片来源：Johan Bodell）
他说：“这样一来，汽车的车身不再简单地作为承重组件，而是作为电池。同样，碳纤维也可以带来其他应用，例如采集动能，用于传感器，或者用于能量和数据的导体。如果所有这些功能成为汽车或者飞机身体的一部分，重量将降低达50%。”
Asp 领导了一个跨学科研究小组开展研究。近日，他们发表了一篇论文，关于碳纤维微结构是如何影响其电化学性能的，也就是说，作为锂离子电池电极的能力。目前为止，这还是一个未经探索的科研领域。
研究人员们研究了市场上可买到的不同种碳纤维的微结构。他们发现，含有尺寸小、方向性差的晶体的碳纤维，具有良好的电化学性能，但是刚度相对较低。相反，含有大尺寸、方向性好的晶体的碳纤维，刚度较高，但是电化学性能太差，以至于无法应用于结构电池。
Asp 表示：“我们现在知道了应该如何制造多功能碳纤维，以获得较高的能量存储容量，同时保证足够的刚度。刚度稍微减弱，对于汽车之类的许多应用来说，都不成问题。目前，市场上占主导地位的是昂贵的碳纤维复合材料，这种材料的刚度适合飞机。因此，碳纤维制造商有望拓展碳纤维的用途。”
在研究中，电化学性能良好的碳纤维，刚度稍高于钢铁。然而，那些电化学性能较差的碳纤维，刚度是钢铁的两倍。
研究人员们正在与汽车以及航空工业的合作伙伴展开合作。Leif Asp 解释道，对于航空工业来说，碳纤维复合材料的厚度有必要增加，从而补偿结构电池的刚度，也可以相应地增加其能量存储容量。
价值
Leif Asp 表示：“关键点在于，基于重量、强度、刚度和电化学性能，在系统级别优化汽车。汽车行业更习惯于考虑优化单个组件，而这项研究为汽车行业带来一种新的思考方式。结构电池可能并没有传统电池那样高效，但却具有结构化的承重能力，因此将在系统级别带来很多好处。”
他继续说：“此外，结构电池的能量密度更低，将使得它们比标准电池更安全，特别是不含有任何挥发性物质。”
