部分碳化碳纤维作为用于结构电池的改进电极

更强的部件，同时还能存储能量

想象一下汽车车身或笔记本电脑外壳还能兼作为其供电的电池。该研究探索了一种新型碳纤维，它既能承载结构又能存储电能，为更轻的车辆、手机和无人机打开了可能，使每克材料发挥更多功能。

为什么要把结构做成电池

工程师看重结构电池的前景：承重部件同时存储能量。与携带笨重的独立电池组不同，框架本身可以为设备提供部分动力。碳纤维是理想候选，因为它们已被用于增强飞机、汽车和运动器材，并且可以像常规电池的负极一样容纳锂离子。难点在于权衡：为强度优化的碳纤维通常储能有限，而为更好储能调整的纤维往往牺牲力学性能。

不同的碳纤维“烹饪”方法

作者测试了一种新的制造策略，称为部分碳化。他们以许多商业纤维使用的相同聚合物前驱体为起点，然后将其加热至800至1100摄氏度之间的不同最高温度，制备出四种新型纤维。并将它们与标准高性能纤维进行比较，其中包括一种因在刚度与电池性能之间取得良好平衡而被广泛使用的等级。通过仔细测量密度、比表面积、化学成分和内部结构，团队跟踪了随着热处理温度升高纤维发生的变化。

纤维内部结构如何塑造其性能

显微镜、拉曼光谱和X射线散射显示，随着碳化温度上升，纤维逐渐从高度无序的碳网络转向更有序的石墨化区域。碳原子层之间变得更接近，晶粒块变得更厚，且沿纤维轴的取向性改善。同时，多余的氢、氮和氧原子被驱除。这些变化使纤维更刚性、更坚固，证实较高的加工温度在材料内部构建了更高效的承载骨架。

在不牺牲强度的情况下更好的能量存储

随后团队在小型电池电池中以金属锂为对电极测试了这些纤维。最低温度处理的纤维导电性太差，无法作为电极使用，但在900、1000和1100摄氏度处理的纤维都能可靠地进行锂循环。值得注意的是，它们提供了比用于结构电池的最先进碳纤维高出最多40%的可逆容量，同时在100多次充放电循环中保持很高的效率。电化学测试显示，最高温度处理的纤维将最佳电导率与最佳长期容量结合在一起，使其对实际器件尤为有吸引力。

这对未来储能结构意味着什么

研究人员发现，通过对纤维进行部分碳化而不是将其完全推进到最石墨化的状态，存在一个甜点区，在该区力学强度与能量存储同时改善而非相互竞争。所得纤维保留了足够的缺陷和微小空穴以容纳锂离子，同时获得了更有序的碳框架，能有效承载载荷和电子。该工作描绘了处理温度如何调节这种平衡，并提出用于车辆、无人机和便携电子产品的更轻、更高能量密度的结构电池组件触手可及。

引用: Tavano, R., Randall, J.D., Le Thao, N.N. et al. Partially carbonised carbon fibres as improved electrodes for structural battery applications. Commun Mater 7, 135 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01194-x

关键词: 结构电池, 碳纤维, 多功能材料, 锂离子存储, 轻量化结构