碳纤维因其高强度、轻量化、良好的导电性和化学稳定性,正在固态电池技术中扮演越来越
碳纤维因其高强度、轻量化、良好的导电性和化学稳定性,正在固态电池技术中扮演越来越重要的角色。它能帮助解决固态电池产业化过程中遇到的不少难题。
下面这个表格汇总了碳纤维在固态电池中的主要应用方向和参与厂商,帮你快速了解全局:
应用方向
技术价值
代表研究者/厂商
负极材料(3D锂/碳纤维复合负极) 抑制枝晶,缓解膨胀,稳定界面 中科院化学所(郭玉国团队)
电池箱体与结构件 轻量化,高刚性,耐腐蚀,约束电池膨胀 安徽盟维新能源
结构电池(无质量储能) 电池既是能源又是结构件,实现系统级大幅减重 瑞典查尔姆斯理工大学
正极导电添加剂 提升正极导电性,减少界面副反应 中科院上海硅酸盐研究所(郭向欣团队)
固态电解质增强材料 提升复合固态电解质的机械强度与离子电导率(如与COFs材料结合) 振华新材 & 耀科新材(宝丽迪子公司)
一、作为负极材料载体(3D锂/碳纤维复合负极)
固态电池,特别是锂金属固态电池,商业化的一大挑战是锂负极在充放电过程中会发生显著体积变化(膨胀和收缩),并容易产生锂枝晶,刺穿固态电解质层,导致电池短路失效。
如何应用:将碳纤维作为三维多孔骨架,熔融的金属锂可以浸润到碳纤维网络的孔隙中,形成三维锂/碳纤维复合负极(3D Li/CF)。
优势:
抑制枝晶:碳纤维骨架能均匀锂离子流,抑制锂枝晶的生长。
缓解膨胀:三维结构为锂的沉积和溶解提供了充足空间,有效缓解体积变化带来的应力。
稳定界面:能更好地与固态电解质接触,减少界面阻抗,提升循环稳定性。
二、制造电池箱体和结构件
锂金属固态电池在工作时,其模组的膨胀与收缩现象会更加明显,因此对电池包的结构件提出了更高要求。
如何应用:使用碳纤维复合材料制造电池包的箱体、隔板等结构件。例如采用特殊成型方法制造的多网格碳纤维箱体,其隔板包含碳纤维面层和中间的缓冲层。
优势:
高刚强度:碳纤维箱体具有较高的结构强度与刚度,能有效约束和承载电池膨胀产生的压力。
极致轻量化:相比金属材料,碳纤维能大幅减轻电池包的结构重量,提升整机的能量密度。
耐腐蚀:具有良好的耐电解液腐蚀性能,延长使用寿命。
三、创新应用:结构电池(“无质量”储能)
这是碳纤维在电池领域更具革命性的应用,其理念是让电池本身成为设备结构的一部分,同时承担储能和受力的双重功能。
如何应用:研发多功能碳纤维结构电池。其碳纤维复合材料既是电极(如正极的集流体和导电骨架),又是承力结构。
优势:
系统级减重:省去独立的电池包,有望使电动汽车续航里程提升多达70%,或显著减轻电子设备重量。
提升设计灵活性:为交通工具(如eVTOL飞行汽车)、便携设备的设计带来更多可能。
四、作为正极导电添加剂
固态电池的正极通常需要添加导电剂来改善电子电导率。碳纤维的一种形态——气相生长碳纤维(VGCF)在这方面表现出独特优势。
如何应用:将气相生长碳纤维(VGCF) 作为正极中的导电添加剂。
优势:
减少界面副反应:与传统的科琴黑或超导炭黑相比,VGCF在高电压下引发的副反应更少,能减少有害副产物的生成,从而降低电池内阻,提升循环性能。
主要研究机构与厂商合作
碳纤维在固态电池中的应用目前大多处于研发和产业化初期,但已形成一些重要的研究和产业力量:
科研机构:
中国科学院化学研究所(郭玉国团队):在3D锂/碳纤维复合负极方面进行了深入研究。
中国科学院上海硅酸盐研究所(郭向欣团队):研究了气相生长碳纤维(VGCF) 作为固态电池正极导电添加剂的优势。
瑞典查尔姆斯理工大学:在碳纤维结构电池方面取得了世界领先的进展,持续提升其能量密度和机械性能。
企业与合作:
安徽盟维新能源科技有限公司:开发了用于锂金属固态电池的碳纤维多网格箱体及其成型工艺,并申请了专利。
振华新材与耀科新材(宝丽迪子公司):双方合作聚焦于共价有机框架材料(COFs) 在新能源电池的应用。COFs与碳纤维类似具有多孔和可设计性,其复合技术(如硫化物/COFs复合固态电解质)对提升固态电池性能有关键作用。
产业链合作:例如吉林某碳纤维纳米电池项目寻求与能源投资企业合作,其项目落地配套了风电指标,反映了产业链上下游联动的趋势。eVTOL飞行汽车等领域也看好碳纤维和固态电池技术的结合。
总结与展望
碳纤维通过多种方式助力固态电池发展,从负极宿主、结构件到正极添加剂,甚至颠覆性的结构电池,其价值在于能综合解决固态电池在安全性、循环寿命和能量密度等方面的核心挑战。
虽然碳纤维的成本仍是需要考虑的因素,但随着技术成熟和规模化生产,其在高性能、高价值的固态电池应用场景(如航空飞行器、高端电动汽车)中,前景令人期待。
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