多功能结构材料能够减少系统级质量并提高承载结构的效率。能够从周围环境中获取能量的材料对于自主电力系统是有利的。然而，大多数能量收集材料是非结构的，并且增加了寄生质量，从而降低了结构效率。在这里，我们展示了一种结构能量收集复合材料，该材料由嵌入纵向模量为100GPa的结构电池电解质（SBE-structural battery electrolyte）中的两个碳纤维（CF）层组成─几乎与商业CF预浸料不相上下。在锂化CF中使用压电-电化学换能器（PECT- piezo-electrochemical transducer）效应通过机械变形来获取能量。PECT效应在两个CF层之间产生电压差，在变形时驱动电流。实现了18nW/g的比功率输出。在拉伸和压缩过程中观察到锂化CF中的PECT效应，可用于应变传感，从而实现低附加质量的结构健康监测。同样的材料此前已被证明能够变形。这里介绍的两种附加功能导致了一种能够具有四种功能的材料，进一步证明了CF/SBE复合材料在未来多功能应用中的多种可能性。

向材料添加功能已被证明是减少承载结构中系统级质量的有效方法。多功能材料有可能实现更轻的组件，这在航空航天和汽车行业的重量敏感应用以及便携式消费电子产品中尤其有益。理想情况下，进一步的功能不应增加结构的质量，也不应影响其机械性能。

 

具有耦合特性的材料允许创建更多的功能。例如，压电体具有机电耦合，可用于将机械运动转换为电能。这使得从周围环境中获取能量，甚至为应变传感等其他材料功能提供动力成为可能。压电材料以前已经集成到结构复合材料中以获取机械能。然而，压电元件增加了寄生质量，表现出较差的机械性能，并且在高频下最有效。

 

对于低频运动，如人类运动、热膨胀或潮汐流，使用称为压电-电化学换能器（PECT- piezo - electrochemical transducer）效应的机械-电化学耦合进行能量收集似乎很有希望。PECT效应是一种耦合，当受到机械应变时，会导致电极电势的变化。已经使用石墨/LiCoO2袋电池、硅、铝、黑磷、普鲁士蓝、和碳纤维（CF）在非结构材料中进行了PECT能量收集，显示出有希望的结果。然而，这些概念都依赖于非结构液体或凝胶电解质，因此不能进行负载转移。

 

为了构思一种不增加寄生质量的结构PECT能量采集器，电极材料应该是结构化的，并嵌入能够传递负载的基体中。基质还必须是离子导电的，以便于电流流动。

 

在这里，我们展示了一种使用新型材料组合的能量收集结构复合材料，并将其应用于创造新的功能。该复合材料由嵌入双连续结构电池电解质（SBE）中的陶瓷基隔膜两侧的两层锂化CF组成。所得到的层压板表现出高的机械刚度，但具有附加的能量收集功能。

 

这一概念是基于这样一个事实，即基于聚丙烯腈（PAN）的CF在结构上具有高性能，并已被证明能够被锂离子充电，因此起到电极的作用，因此在这个意义上是一种真正的多功能材料。这里使用的基质表示为SBE。它是一个双连续系统，由一个固体和坚硬的、渗透的、聚合物相和一个液体电解质组成。因此，它可以在CF之间传递机械负载，并具有离子导电性，允许离子在电极之间传输，即多功能基质。纤维/基质界面也是多功能的，提供纤维和聚合物相之间的机械粘合，同时仍允许离子通过界面传输。这种材料系统使高性能多功能结构能够用于能量存储和形状变形。

 

先前的研究表明，液体电解质中的PAN基CF在充入锂、钠和钾时表现出PECT效应。在PAN基CF中，尽管离子半径较低，但锂化会产生最大的PECT响应。然而，使用液体电解质，只能研究PECT在张力下的响应，而不能研究压缩下的响应。这里，SBE的添加允许在CF中研究压缩应变和拉伸应变。发现压缩PECT效应在大小上与拉伸PECT效应相等，但在符号上相反。这与基于卡尔施泰特（Carlstedt）等人的结果的分析模型很好地相关，该模型由于荷载情况而被简化，并且可以表示为闭合形式的解。

 

为了证明结构能量收集CF复合材料的概念验证，使用了一个简单的弯曲设置。复合材料在一端被夹紧以形成悬臂，悬臂使用定制的夹紧夹具变形到已知的恒定曲率。以这种方式，一个CF层被张紧，而另一个同时被压缩。这使得两个CF电极之间的机械应变包络能够有效地加倍，从而产生更大的电压和电流响应。使用外部锂金属参比电极，可以独立地获得每个CF层中的电压变化。在悬臂变形期间测量由PECT效应和两个CF层之间的短路电流（SCC-short-circuit current ）产生的开路电位（OCP-open-circuit potential）的变化。研究发现，OCP和SCC均随施加的机械应变线性增加。为了计算可用功率，将可变的外部电气负载与复合材料串联，并测量电流的变化。当外部电负载与复合材料的内部阻抗匹配时，获得最大功率。

 

这里演示的材料也能够感应PECT效应引起的电压-应变耦合引起的应变。将能量收集和应变传感功能添加到结构材料中，之前已经证明其能够改变形状，从而产生方形功能材料。这些功能性与优异的结构性能相结合，进一步证明了CF/SBE复合材料在未来多功能应用中的多种可能性。

2.1. 材料

 

所使用的CF是由东丽（Toray）制造的中等模量T800SC-12K-50C。之前已经对该CF进行了包括X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜和拉曼光谱在内的材料表征。通过Oxeon AB将CF丝束铺展至约15mm的宽度。SBE由固相：双酚a乙氧基化二甲基丙烯酸酯（Sartomer Company，Europe）和2，2′-偶氮二（2-甲基丙腈）（AIBN），以及液相碳酸亚丙酯（PC）、碳酸亚乙酯（EC）（均为99%纯度，无水）和三氟甲磺酸锂（LiTf）（96%）组成（AIBN、PC、EC和LiTf由Sigma-Aldrich提供）。将Freudenberg FS 3011-23分离器放置在CF层之间。使用电润滑银导电涂料（SCP-silver conductive paint）将铜箔（17μm，纯度99.95%）集电器连接到CF上。在活化过程中，对于参比电极锂金属箔（0.38mm，99.9%纯度，Sigma-Aldrich），使用Whatman GF/a（260μm）玻璃纤维隔膜纸。使用镍箔（25μm，纯度99.95%）作为锂箔的集流器。对于活化过程，使用袋状电池袋（来自Skultuna Flexible的PET/Al/PE）。玻璃纤维端片由固化的预浸料片（DeltaPreg W105P/DT806）制成。在能量收集实验中使用了来自NOVA Elektronik Gmbh的额定电阻为10、100、1000和7000Ω的碳膜电阻器。

 

2.2. CF复合材料层压板制造

 

图1a–c说明了复合材料层压板的制造过程。它是使用夹在电绝缘隔膜两侧的两层CF制造的。使用与前述相同的方法制备CF样品，其中将两层干燥的CF放置在平板玻璃模具上，在它们之间有一层隔板。使用SCP将铜集电器连接到CF的每一层上。组件在60°C的真空烘箱中干燥过夜，然后密封在真空袋中。

图1. 复合材料层压板的制造、活化和测试过程。

（a） 层压板是使用陶瓷基隔板两侧的两层CF制造的。

（b） 这些层被真空注入SBE。

（c） 层压板是热固化的。

（d） 层压板被真空密封在袋状电池袋中，并与锂金属进行电化

学循环以激活它。

（e）将层压板从袋状电池包中取出，并夹在悬臂结构中。然后使

用夹具将悬臂变形到已知的曲率，同时使用恒电位仪测量 CF层之间的电压和电流变化。

（f） 层压板的宏观图像和横截面。

 

SBE在手套箱（glovebox ）内与在环境温度下具有小于2ppm O2和H2O的惰性气氛混合。混合物由60.2 wt%的BAED、0.6 wt%的AIBN和39.2 wt%的液体电解质组成，液体电解质由1.0 M LiTf在EC/PC中以1:1 wt%制成。然后将SBE真空注入干燥的CF层中，并在90°C的烘箱中固化45分钟。

 

将固化的层压板从手套箱内的真空袋中取出。然后将层压板放置在由玻璃纤维隔膜纸电分离的两个锂金属对电极之间的袋状电池中。然后用大约0.8 mL与SBE中相同的电解质浸泡（图1d）。

 

2.3. 机械试验

 

电化学测试后，对复合材料层压板进行拉伸和三点弯曲测试，以确定其纵向杨氏模量。将样品在环境条件下放置过夜以使电解质溶剂蒸发。使用Instron 5567万能试验机进行三点弯曲试验，该试验机具有500N称重传感器和0.1mm/min的应变速率。样品的宽度为15mm，支撑长度L为12mm。测量的弯曲刚度D由下式给出

( 1.)

式中，P为每单位宽度施加的荷载，δ为支撑之间层压板中点的位移。使用层合理论，可以根据弯曲刚度D反算材料的纵向弹性模量Emat。CF层的纵向弹性模数Ecf为

(2.)

其中，tcf和ts分别是CF层和隔板的厚度，隔板的纵向弹性模量假定为Es=1GPa。材料的纵向弹性模量可以计算为

(3.)

对于拉伸测试，将搭接材料粘附到样品上（宽度=15mm，标距长度=35mm）。使用Instron 5567通用试验机，其具有1000N称重传感器和0.1mm/min的应变速率。应变测量是使用GOM-Aramis数字图像相关系统获得的。纵向弹性模量计算为所得应力-应变曲线的线性截面的斜率。

 

2.4. 厚度测量

 

对CF层压板的层厚度进行光学测量。将层压板在通风橱（fume hood）中在环境条件下干燥过夜，以使电解质中的溶剂蒸发。然后使用手术刀手动切割切片，并将所得切片封装在环氧基封装化合物中。对表面进行抛光，然后使用奥林巴斯BX53M光学显微镜和奥林巴斯Stream Basic（v2.3.3）软件进行拍照。

 

2.5. 实验前激活

 

为了用锂离子激活CF层，将层压板放置在两片锂金属箔之间，玻璃纤维隔板防止电接触（见图1d）。然后将这些层用液体电解质真空密封在袋状电池中。通过在基于CF质量的28mA/g的电流密度下相对于Li/Li+在0.002和1.5V之间对锂金属对CF充电和放电来活化样品。使用Biologic VSP恒电位仪进行充电/放电。在约0.1 C的C速率下，实现的最大容量为160 mA h/g。在第12个循环中，CF被充电至约60%的锂化程度，约105 mA h/g（见图S1），因为之前已显示最大PECT响应发生在约该锂化状态。

 

2.6.复合电压-应变耦合和能量采集

 

在实验之前，通过外部电路将CF层彼此连接至少2小时，以允许任何残留的锂浓度消散。

 

所有电压-应变耦合和能量收集测量都是在环境温度下O2和H2O低于2 ppm的手套箱中进行的。为了产生具有纵向恒定曲率的弯曲，使用了定制的两部分3D打印夹具（见图1e）。对于两个CF电极的独立电压测量，将一条锂金属插入夹持夹具下部的凹口中，并使用浸泡过电解质的玻璃纤维纸分离器将其与悬臂分离。

 

对于电压-应变耦合实验，将电池静置5分钟，以记录每个电极的参考电压。之后，用手将夹具的顶部夹紧在复合悬臂的顶部，使悬臂弯曲成恒定的曲率。在这些测量过程中，没有施加电流。

 

对于能量收集实验，连接了不同的外部电负载。碳膜电阻器与适当的连接器一起焊接在条形板上。将它们与恒电位仪和CF层压板串联连接。使用万用表测量包括布线在内的电阻值，并使用真实电阻值使用欧姆定律计算电压。

 

GoPro Hero 5相机用于拍摄所有电压-应变耦合和能量收集实验。

 

使用三阶Daubechies小波滤波器对所有电压和电流信号进行滤波，以最小化噪声。计算平均峰值和谷值以及标准偏差。电压/电流的变化由平均峰值和谷值之间的差给出。

PECT效应产生的电压-应变耦合是基于假设的CF中锂的化学势（chemical potential）和机械应力状态之间的耦合，使用Larché-Cahn势进行分析建模的。该理论解释了横向各向同性CF，其中各向同性与笛卡尔坐标x1和x2定义的横截面有关，x3沿纤维（见图1f）。

CF与锂金属的平衡电势的变化（ΔV0）是应变状态变化（Δε）的函数，给出了电压-应变耦合的广义形式

(4.)

其中E是横向各向同性弹性矩阵，Ω表示CF体积的归一化（横向各向同性）变化，作为锂浓度的函数，F是法拉第常数。注意，这里的平衡势不仅与各向同性情况下的平均应力有关。假设CF中的锂浓度保持恒定，并且施加的应变很小并且在复合材料的线弹性范围内。

对于单轴应变（Δε33）的变化，可以获得简化的解析表达式。施加的应变主要由CF承载，并且假设径向纤维变形是不受约束的（由CF与SBE的刚度差异引起）。在这些条件下，方程4简化为

(5.)

式中λ=1/{（1+μf，Ş）（1–μf，–2Yμf，‖2）}和Y=Ef，Ž/Ef，½。平行于纤维方向和垂直于纤维方向的纤维的弹性模量和泊松比分别表示为Ef，‖，Ef，Ş和Γf，½，Γf和Γ。此外，Cf是Cf的比容量，ρf是纤维密度，α½表示假设比容量下Cf的可逆纵向膨胀系数。注意，每个CF层中的纤维方向上的应变（ε33）由由施加的弯矩引起的平均应变表示。电压-应变耦合的完整推导和所使用的材料参数可在支持信息中获得。

4.1.层压板的机械和物理性能

 

所得的层压板具有100GPa的纵向（纤维方向）弹性模量，该弹性模量是通过层压板的弯曲和拉伸测试获得的。弯曲试验的载荷-位移曲线和拉伸试验的应力-应变曲线的示例如图2所示。

图2. 层压板的机械测试。

（a）CF复合材料层压板三点弯曲的示例力-位移曲线

（b）CF复合材料层板拉伸试验的示例应力-应变曲线。

 

使用组成成分的体积分数和密度来推导复合材料层压板的密度。CF的密度为1.8g/cm3，分离器的密度为1.435g/cm3，SBE的密度为1.23g/cm3。CF层中CF与SBE的平均体积分数为49%，而分离器层中分离器与SBE之间的体积分数为45%。这给出了1460kg/cm3的层压板的平均密度。相比之下，典型的CF单向预浸料的模量在130–180 GPa范围内，密度约为1600 kg/cm3，而铝的模量为69 GPa，密度为2700 kg/cm3。在对样品进行灌封和抛光后，使用显微镜获得CF的32μm和分离器的20μm的层厚度（见图1f）。应该注意的是，厚度的变化导致不同样品的计算机械性能的变化。

 

4.2. PECT在拉伸和压缩中的作用

 

活化后，将层压板从袋状电池袋中取出，并包裹在低密度聚丙烯薄层（厚度≈15μm）中，以防止SBE的液相蒸发。将层压板夹在一端以形成悬臂，将两个集电器连接到恒电位仪以施加和测量电流和电压。已知恒定曲率的两部分3D打印夹具用于使悬臂沿纤维方向机械变形（见图1e）。在释放变形25秒之前，用夹具将变形保持在适当位置约25秒。在最终变形保持约120秒之前，重复进行四次。应变状态如图3a所示，一层为压缩状态，另一层为拉伸状态，振幅相等。在变形状态下，纤维方向上的应变通过层压板厚度线性变化。这里，每个CF层中的平均应变变化（Δε33）用于表示变形应变状态（见图S6）。图3b显示了上CF电极被重复变形到30 mm的半径，对应于Δε33=0.09%的平均拉伸应变变化。在变形时，观察到电势从稳态明显上升，与Li金属对电极相比，幅度约为0.52±0.14 mV。图3c显示了相同变形过程中较低的CF层，但Δε33=−0.09%。从稳态开始，电势明显下降，与Li相比，幅度约为0.49±0.13 mV。电压的变化与施加变形的速度一样快。压缩PECT效应因此在大小上与拉伸PECT效应相等，但在符号上相反。

图3. PECT测量。

a臂循环弯曲过程中的应变状态。

b（b，c）悬臂的上CF层和下CF层分别相对于锂金属参比电极的电压。在测量过程中观察到参比电极中大约0.2mV的漂移。这是在使用梯度约为4×10–4 mV/s的线性增加的初始电压进行建模时考虑到的。

c（d）悬臂的两个CF层之间的电压差。虚线是理论预测。

 

在图3b，c中可以看到电势的微小变化，特别是在较长的变形过程中。这被认为是由与锂金属参比电极的接触不一致引起的。

 

图3d显示了在测量两个CF层之间的电势时的相同测试。电压变化约为1mV。这等于两个独立测量的电极电势的大小之和。这里，在没有参考电极的情况下，电压在变形时看起来保持更加一致，并且电压没有返回到稳定状态的趋势。因此，施加弯曲变形有效地使可获得的电压变化加倍。这种效应使得能够在没有寄生成分的情况下测量材料内的弯曲应变。

 

对于0.09%的应变，预测的电压变化与Li/Li+的关系为0.63mV，如图3b、c中的虚线所示，这与实验观察结果非常一致。当应变至±0.09%时，这导致两个CF层之间的电压差为1.26 mV，这也与图3d中的实验数据非常一致。预测的变化略高于实验观测值，这种差异被认为是由模型简化引起的，例如，施加的边界条件和使用的材料数据。

 

测试了直接拉伸中的PECT效应，以验证使用平均应变来表示弯曲变形的假设。这是使用先前描述的方法进行测量的。使用拉伸试验机将0.11%的循环拉伸应变施加到锂化CF束上，并测量PECT响应。电位变化的幅度为0.52 mV，这与之前的工作一致。这表明，使用夹具施加的平均应变可以与使用直接拉伸应变施加的平均应力进行比较。

 

4.3.短路电流测量

 

通过防止层压板变形时的电流流动，PECT效应产生开路电位（OCP）的变化。相反，通过外部电路连接两个CF电极并施加0V电位，当层压板变形时，电流将流动，称为短路电流（SCC）。OCP和SCC分别给出了施加应变时可用电压和电流变化的上限。电化学和机械系统的耦合性质使得能量收集成为可能。

 

测量两个CF层之间的OCP和SCC的各种应用平均应变差，由2|Δε33|给出。例如，一层张紧至0.09%应变，另一层压缩至-0.09%应变，应变差变为0.18%。使用四种不同的夹具施加一定范围的应变，使应变差等于0.04、0.06、0.08和0.18%。通过翻转夹具来施加向上和向下弯曲。对于OCP测量，将两个CF电极连接到恒电位仪， 并且在测量电压时不允许电流流动。对于SCC，使用恒电位仪将CF层之间的电压保持在0V，并测量电流。悬臂首先在向下弯曲时变形，然后在向上弯曲中变形，施加应变约10秒，其间间隔10秒。

图4a显示了在向上和向下弯曲的施加应变范围内的OCP响应。OCP随着施加应变的增加而增加，当从向下弯曲变为向上弯曲时符号相反。图4b显示了每个施加应变的平均OCP变化幅度。误差条表示OCP在非应变和应变状态下的标准偏差的总和。OCP响应与应变呈线性关系，在0.18%的应变差下达到约1.5mV的最大值。当将应变方向从向上弯曲反转为向下弯曲时，OCP响应的符号从正变为负，尽管响应的幅度基本相同。因此，OCP响应是材料中平均应变水平以及弯曲状态的直接测量。

图4. OCP和SCC在不同弯曲曲率下的响应。

（a） 两个CF层之间的OCP，用于在向上和向下弯曲中变化

（b） 的应变差。

（c） 对于不同的应变差异，两个CF层之间的OCP响应的

平均幅度。两个CF层之间的SCC，用于向上和向下弯曲中的不同应变差异。

（d） 对于不同的应变差异，两个CF层之间的SCC响应

的平均幅度。这里使用的CF层叠悬臂的有效长度为42毫米，宽度为15毫米，总质量为78.5毫克。有效CF电极质量为43.6毫克。

 

图4c显示了施加应变后的SCC响应，而图4d显示了平均SCC变化的幅度，误差条表示未应变和应变状态下SCC标准偏差的总和。SCC响应的大小与应变呈线性关系，在应变差为0.18%的情况下，最大值约为2μa。SCC遵循与OCP相同的模式，当从向上弯曲到向下弯曲时，响应变化符号。对于向上弯曲，电流变化的幅度略低。这可能是由于CF层之间的残余负电流较小。这在电化学系统中产生了离子分布梯度，这将略微放大更负的响应，并略微抑制更正的响应。

 

4.4.能量收集

 

OCP和SCC的测量给出了可用功率的理论上限，两者的乘积给出了理想的可用功率。这是类似能量采集器经常报告的功率。在这种情况下，基于活性CF电极质量，可用的最大理想功率约为69 nW/g。然而，由于测量SCC时没有电势差，测量OCP时没有电流，因此不会产生功率。为了测量实际可用功率，有必要在电路中具有已知的电气负载。

 

普雷梅斯贝格（Preimesberger）等人报告的方法用于在电路中串联连接各种电阻器，如图5a所示。使用了10、100、1000和7000Ω的电阻器。使用了最高的可用施加应变，对应于0.18%的应变差。使用恒电位仪在CF层之间施加0V，并测量复合悬臂偏转时的电流变化。使用欧姆定律计算电阻器两端的相应电压变化。电压变化和电流的乘积就是输出功率。

图5. 能量收集结果。

（a）测量可用于能量收集的功率的实验装置。在测量电流变化的同时，将不同的外部电负载与CF层压板和恒电位仪串联连接。

（b） 弯曲过程中两个CF层之间的SCC，应变差为0.18%。

（c） 在各种外部电气负载和测量响应的线性拟合的情况下弯曲过程中的电流-电压分布。

(d) 在各种外部电负载和43.6mg的活性CF电极质量的情况下用于能量收集的重量功率分布。

 

图5b显示了施加应变时的电流分布，外部电阻增加导致电流响应降低。图5c显示了由此产生的电流-电压曲线。正如预期的那样，对于小扰动，电流和电压之间的关系是线性的。线性曲线拟合如图5c所示。然后可以计算功率，如图5d所示。理论功率可以通过对图5c中关于电压的线性曲线拟合进行积分来计算。基于活性CF电极质量，测得的最大功率约为18nW/g。因此，填充系数约为26%，与其他地方报道的类似，填充系数定义为理想功率与最大可用功率之间的比率。使用1000Ω外部电阻器获得最大功率，该电阻器与使用电阻抗谱法发现的860ΩCF层之间的内部电阻大致匹配。这与最大功率转移定理以及先前的发现一致。

这项研究证明了CF复合材料层压板的两个额外功能：能量收集和应变传感。实验测量的功率与其他已发表的关于PECT能量采集器（如锂化铝和钠化黑磷）的文献相比是有利的。然而，这些研究使用了使用液体电解质的非结构材料，并且需要显著更高的施加应变。

 

这里展示的CF层压板包含SBE，生产出比刚度显著高于铝的结构材料，并与商业CF预浸料一致。由于PECT效应产生的电压-应变耦合，OCP和机械应变之间存在线性关系，因此可以进行应变传感。估计电压-应变耦合的理论框架与实验观察结果非常一致。由于电压信号中的噪声（滤波信号约为0.1mV，图3），应变测量的下限约为0.01%。

 

电压和电流响应的寿命在这里没有被检查。然而，人们认为CF本身在重复弯曲过程中不应遭受显著的结构损伤，因为此处使用的应变非常低。先前已经测试了锂插入对相同CF的机械性能的影响，即使在1000次循环后也观察到最小的机械降解。先前已经测试了嵌入SBE中的单层CF的电化学循环后的机械性能，显示出刚度或强度没有退化。考虑到在能量收集实验中施加的应变非常低（0.09%），随着时间的推移，这不太可能影响机械性能。其他PECT能量采集器在重复循环中表现出相对良好的长期稳定性，表明响应在重复的机械应变循环中应该是稳定的。在我们的情况下，考虑到少量的电荷转移，电化学系统的日历寿命很可能是限制因素。这将取决于系统与外部环境的隔离程度（例如，与湿气侵入的隔离程度）。

 

由于这是创建刚性能量收集材料的第一次尝试，因此材料成分或材料组件远未优化。可以做很多事情来提高电流和电压响应的幅度，从而获得更多的能量。通过使应变加倍，OCP和SCC的变化应该可以加倍。这将导致四倍的功率，因为在这里使用的应变包络内，功率与应变的平方成比例。只要不发生机械故障，应变可能会进一步增加。PECT响应的差异虽然相当小，但之前已经测量过两种不同CF的差异。因此，有可能存在具有更高PECT响应的其他CF，这可以提高感测能力和收获功率。较小直径的CFs将导致更快的扩散，提供更高的速率能力并降低过电势。所用的SBE尚未优化，进一步的开发工作可能会使离子电导率提高一个数量级。通过调整SBE的多孔聚合物结构，可以减少曲折度，提高离子导电性。通过使用不同的溶剂/盐组合，最有可能改善液体电解质的传输特性，从而增加能量采集器的电流响应。这也将在更高的频率下扩展采集器的频率包络，尽管基于PECT的能量采集由于离子扩散过程仍然局限于低频，如在其他地方所讨论的。

 

本文中进行的实验是在干燥的氩气气氛中进行的。通过使用具有适当阻隔性能的薄膜（如超薄玻璃）适当封装CF层压板，层压板可以在环境条件下工作。

 

从周围环境中获取能量的能力是对能量存储的重要补充能力。低至中频结构能量采集器在重量敏感的自主应用中特别有用，如无人机、卫星和医疗应用。为了利用多功能性，结合结构功能和应变传感功能的设备将是理想的。实时感知应变可最大限度地减少结构的尺寸过大，并提高安全性和维护程序。锂化CF可用于取代其他增加寄生质量并对机械性能产生不利影响的结构健康监测系统，如光纤（optical fibers）、压电体和压阻材料。相同的结构材料可用于形状变形，并且通过添加正极层，也可以用作结构电池。

电压-应变耦合的分析模型有可能帮助未来PECT能量采集器和应变传感器的设计，以及机械应变下各向异性电池电极的设计。

这里提出的结构CF复合材料层压板的纵向模量几乎与商业CF预浸料材料相当，这些材料先前已被证明能够改变形状。这里展示的另外两种功能使材料同时具有四种功能：承载、形状改变、能量收集和应变传感。该研究表明了CF/SBE复合材料在未来多功能应用中的多种可能性。

 

编译寄语

碳纤维被誉为“黑色黄金”，但是仅有碳纤维不能制造成品、零件。它与基材配合才能演绎出，形形色色、性能各异的复合材料。如与环氧树脂基材结合，就成为热固性复材；与热塑 性树脂基材结合，就成为热塑性复材。

本文介绍的是碳纤维与结构电池电解质（SBE）结合，造出了多功能碳纤维复合材料。

 

原文见，《Multifunctional Carbon Fiber Composites: A Structural, Energy Harvesting, Strain-Sensing Material 》

杨超凡2024.3.31