多功能結構材料能夠減少系統級質量并提高承載結構的效率。能夠從周圍環境中獲取能量的材料對于自主電力系統是有利的。然而，大多數能量收集材料是非結構的，并且增加了寄生質量，從而降低了結構效率。在這里，我們展示了一種結構能量收集復合材料，該材料由嵌入縱向模量為100GPa的結構電池電解質（SBE-structural battery electrolyte）中的兩個碳纖維（CF）層組成─幾乎與商業CF預浸料不相上下。在鋰化CF中使用壓電-電化學換能器（PECT- piezo-electrochemical transducer）效應通過機械變形來獲取能量。PECT效應在兩個CF層之間產生電壓差，在變形時驅動電流。實現了18nW/g的比功率輸出。在拉伸和壓縮過程中觀察到鋰化CF中的PECT效應，可用于應變傳感，從而實現低附加質量的結構健康監測。同樣的材料此前已被證明能夠變形。這里介紹的兩種附加功能導致了一種能夠具有四種功能的材料，進一步證明了CF/SBE復合材料在未來多功能應用中的多種可能性。

向材料添加功能已被證明是減少承載結構中系統級質量的有效方法。多功能材料有可能實現更輕的組件，這在航空航天和汽車行業的重量敏感應用以及便攜式消費電子產品中尤其有益。理想情況下，進一步的功能不應增加結構的質量，也不應影響其機械性能。

 

具有耦合特性的材料允許創建更多的功能。例如，壓電體具有機電耦合，可用于將機械運動轉換為電能。這使得從周圍環境中獲取能量，甚至為應變傳感等其他材料功能提供動力成為可能。壓電材料以前已經集成到結構復合材料中以獲取機械能。然而，壓電元件增加了寄生質量，表現出較差的機械性能，并且在高頻下最有效。

 

對于低頻運動，如人類運動、熱膨脹或潮汐流，使用稱為壓電-電化學換能器（PECT- piezo - electrochemical transducer）效應的機械-電化學耦合進行能量收集似乎很有希望。PECT效應是一種耦合，當受到機械應變時，會導致電極電勢的變化。已經使用石墨/LiCoO2袋電池、硅、鋁、黑磷、普魯士藍、和碳纖維（CF）在非結構材料中進行了PECT能量收集，顯示出有希望的結果。然而，這些概念都依賴于非結構液體或凝膠電解質，因此不能進行負載轉移。

 

為了構思一種不增加寄生質量的結構PECT能量采集器，電極材料應該是結構化的，并嵌入能夠傳遞負載的基體中?；|還必須是離子導電的，以便于電流流動。

 

在這里，我們展示了一種使用新型材料組合的能量收集結構復合材料，并將其應用于創造新的功能。該復合材料由嵌入雙連續結構電池電解質（SBE）中的陶瓷基隔膜兩側的兩層鋰化CF組成。所得到的層壓板表現出高的機械剛度，但具有附加的能量收集功能。

 

這一概念是基于這樣一個事實，即基于聚丙烯腈（PAN）的CF在結構上具有高性能，并已被證明能夠被鋰離子充電，因此起到電極的作用，因此在這個意義上是一種真正的多功能材料。這里使用的基質表示為SBE。它是一個雙連續系統，由一個固體和堅硬的、滲透的、聚合物相和一個液體電解質組成。因此，它可以在CF之間傳遞機械負載，并具有離子導電性，允許離子在電極之間傳輸，即多功能基質。纖維/基質界面也是多功能的，提供纖維和聚合物相之間的機械粘合，同時仍允許離子通過界面傳輸。這種材料系統使高性能多功能結構能夠用于能量存儲和形狀變形。

 

先前的研究表明，液體電解質中的PAN基CF在充入鋰、鈉和鉀時表現出PECT效應。在PAN基CF中，盡管離子半徑較低，但鋰化會產生最大的PECT響應。然而，使用液體電解質，只能研究PECT在張力下的響應，而不能研究壓縮下的響應。這里，SBE的添加允許在CF中研究壓縮應變和拉伸應變。發現壓縮PECT效應在大小上與拉伸PECT效應相等，但在符號上相反。這與基于卡爾施泰特（Carlstedt）等人的結果的分析模型很好地相關，該模型由于荷載情況而被簡化，并且可以表示為閉合形式的解。

 

為了證明結構能量收集CF復合材料的概念驗證，使用了一個簡單的彎曲設置。復合材料在一端被夾緊以形成懸臂，懸臂使用定制的夾緊夾具變形到已知的恒定曲率。以這種方式，一個CF層被張緊，而另一個同時被壓縮。這使得兩個CF電極之間的機械應變包絡能夠有效地加倍，從而產生更大的電壓和電流響應。使用外部鋰金屬參比電極，可以獨立地獲得每個CF層中的電壓變化。在懸臂變形期間測量由PECT效應和兩個CF層之間的短路電流（SCC-short-circuit current ）產生的開路電位（OCP-open-circuit potential）的變化。研究發現，OCP和SCC均隨施加的機械應變線性增加。為了計算可用功率，將可變的外部電氣負載與復合材料串聯，并測量電流的變化。當外部電負載與復合材料的內部阻抗匹配時，獲得最大功率。

 

這里演示的材料也能夠感應PECT效應引起的電壓-應變耦合引起的應變。將能量收集和應變傳感功能添加到結構材料中，之前已經證明其能夠改變形狀，從而產生方形功能材料。這些功能性與優異的結構性能相結合，進一步證明了CF/SBE復合材料在未來多功能應用中的多種可能性。

2.1. 材料

 

所使用的CF是由東麗（Toray）制造的中等模量T800SC-12K-50C。之前已經對該CF進行了包括X射線衍射、高分辨率透射電子顯微鏡和拉曼光譜在內的材料表征。通過Oxeon AB將CF絲束鋪展至約15mm的寬度。SBE由固相：雙酚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），以及液相碳酸亞丙酯（PC）、碳酸亞乙酯（EC）（均為99%純度，無水）和三氟甲磺酸鋰（LiTf）（96%）組成（AIBN、PC、EC和LiTf由Sigma-Aldrich提供）。將Freudenberg FS 3011-23分離器放置在CF層之間。使用電潤滑銀導電涂料（SCP-silver conductive paint）將銅箔（17μm，純度99.95%）集電器連接到CF上。在活化過程中，對于參比電極鋰金屬箔（0.38mm，99.9%純度，Sigma-Aldrich），使用Whatman GF/a（260μm）玻璃纖維隔膜紙。使用鎳箔（25μm，純度99.95%）作為鋰箔的集流器。對于活化過程，使用袋狀電池袋（來自Skultuna Flexible的PET/Al/PE）。玻璃纖維端片由固化的預浸料片（DeltaPreg W105P/DT806）制成。在能量收集實驗中使用了來自NOVA Elektronik Gmbh的額定電阻為10、100、1000和7000Ω的碳膜電阻器。

 

2.2. CF復合材料層壓板制造

 

圖1a–c說明了復合材料層壓板的制造過程。它是使用夾在電絕緣隔膜兩側的兩層CF制造的。使用與前述相同的方法制備CF樣品，其中將兩層干燥的CF放置在平板玻璃模具上，在它們之間有一層隔板。使用SCP將銅集電器連接到CF的每一層上。組件在60°C的真空烘箱中干燥過夜，然后密封在真空袋中。

圖1. 復合材料層壓板的制造、活化和測試過程。

（a） 層壓板是使用陶瓷基隔板兩側的兩層CF制造的。

（b） 這些層被真空注入SBE。

（c） 層壓板是熱固化的。

（d） 層壓板被真空密封在袋狀電池袋中，并與鋰金屬進行電化

學循環以激活它。

（e）將層壓板從袋狀電池包中取出，并夾在懸臂結構中。然后使

用夾具將懸臂變形到已知的曲率，同時使用恒電位儀測量 CF層之間的電壓和電流變化。

（f） 層壓板的宏觀圖像和橫截面。

 

SBE在手套箱（glovebox ）內與在環境溫度下具有小于2ppm O2和H2O的惰性氣氛混合?；旌衔镉?0.2 wt%的BAED、0.6 wt%的AIBN和39.2 wt%的液體電解質組成，液體電解質由1.0 M LiTf在EC/PC中以1:1 wt%制成。然后將SBE真空注入干燥的CF層中，并在90°C的烘箱中固化45分鐘。

 

將固化的層壓板從手套箱內的真空袋中取出。然后將層壓板放置在由玻璃纖維隔膜紙電分離的兩個鋰金屬對電極之間的袋狀電池中。然后用大約0.8 mL與SBE中相同的電解質浸泡（圖1d）。

 

2.3. 機械試驗

 

電化學測試后，對復合材料層壓板進行拉伸和三點彎曲測試，以確定其縱向楊氏模量。將樣品在環境條件下放置過夜以使電解質溶劑蒸發。使用Instron 5567萬能試驗機進行三點彎曲試驗，該試驗機具有500N稱重傳感器和0.1mm/min的應變速率。樣品的寬度為15mm，支撐長度L為12mm。測量的彎曲剛度D由下式給出

( 1.)

式中，P為每單位寬度施加的荷載，δ為支撐之間層壓板中點的位移。使用層合理論，可以根據彎曲剛度D反算材料的縱向彈性模量Emat。CF層的縱向彈性模數Ecf為

(2.)

其中，tcf和ts分別是CF層和隔板的厚度，隔板的縱向彈性模量假定為Es=1GPa。材料的縱向彈性模量可以計算為

(3.)

對于拉伸測試，將搭接材料粘附到樣品上（寬度=15mm，標距長度=35mm）。使用Instron 5567通用試驗機，其具有1000N稱重傳感器和0.1mm/min的應變速率。應變測量是使用GOM-Aramis數字圖像相關系統獲得的?？v向彈性模量計算為所得應力-應變曲線的線性截面的斜率。

 

2.4. 厚度測量

 

對CF層壓板的層厚度進行光學測量。將層壓板在通風櫥（fume hood）中在環境條件下干燥過夜，以使電解質中的溶劑蒸發。然后使用手術刀手動切割切片，并將所得切片封裝在環氧基封裝化合物中。對表面進行拋光，然后使用奧林巴斯BX53M光學顯微鏡和奧林巴斯Stream Basic（v2.3.3）軟件進行拍照。

 

2.5. 實驗前激活

 

為了用鋰離子激活CF層，將層壓板放置在兩片鋰金屬箔之間，玻璃纖維隔板防止電接觸（見圖1d）。然后將這些層用液體電解質真空密封在袋狀電池中。通過在基于CF質量的28mA/g的電流密度下相對于Li/Li+在0.002和1.5V之間對鋰金屬對CF充電和放電來活化樣品。使用Biologic VSP恒電位儀進行充電/放電。在約0.1 C的C速率下，實現的最大容量為160 mA h/g。在第12個循環中，CF被充電至約60%的鋰化程度，約105 mA h/g（見圖S1），因為之前已顯示最大PECT響應發生在約該鋰化狀態。

 

2.6.復合電壓-應變耦合和能量采集

 

在實驗之前，通過外部電路將CF層彼此連接至少2小時，以允許任何殘留的鋰濃度消散。

 

所有電壓-應變耦合和能量收集測量都是在環境溫度下O2和H2O低于2 ppm的手套箱中進行的。為了產生具有縱向恒定曲率的彎曲，使用了定制的兩部分3D打印夾具（見圖1e）。對于兩個CF電極的獨立電壓測量，將一條鋰金屬插入夾持夾具下部的凹口中，并使用浸泡過電解質的玻璃纖維紙分離器將其與懸臂分離。

 

對于電壓-應變耦合實驗，將電池靜置5分鐘，以記錄每個電極的參考電壓。之后，用手將夾具的頂部夾緊在復合懸臂的頂部，使懸臂彎曲成恒定的曲率。在這些測量過程中，沒有施加電流。

 

對于能量收集實驗，連接了不同的外部電負載。碳膜電阻器與適當的連接器一起焊接在條形板上。將它們與恒電位儀和CF層壓板串聯連接。使用萬用表測量包括布線在內的電阻值，并使用真實電阻值使用歐姆定律計算電壓。

 

GoPro Hero 5相機用于拍攝所有電壓-應變耦合和能量收集實驗。

 

使用三階Daubechies小波濾波器對所有電壓和電流信號進行濾波，以最小化噪聲。計算平均峰值和谷值以及標準偏差。電壓/電流的變化由平均峰值和谷值之間的差給出。

PECT效應產生的電壓-應變耦合是基于假設的CF中鋰的化學勢（chemical potential）和機械應力狀態之間的耦合，使用Larché-Cahn勢進行分析建模的。該理論解釋了橫向各向同性CF，其中各向同性與笛卡爾坐標x1和x2定義的橫截面有關，x3沿纖維（見圖1f）。

CF與鋰金屬的平衡電勢的變化（ΔV0）是應變狀態變化（Δε）的函數，給出了電壓-應變耦合的廣義形式

(4.)

其中E是橫向各向同性彈性矩陣，Ω表示CF體積的歸一化（橫向各向同性）變化，作為鋰濃度的函數，F是法拉第常數。注意，這里的平衡勢不僅與各向同性情況下的平均應力有關。假設CF中的鋰濃度保持恒定，并且施加的應變很小并且在復合材料的線彈性范圍內。

對于單軸應變（Δε33）的變化，可以獲得簡化的解析表達式。施加的應變主要由CF承載，并且假設徑向纖維變形是不受約束的（由CF與SBE的剛度差異引起）。在這些條件下，方程4簡化為

(5.)

式中λ=1/{（1+μf，?）（1–μf，–2Yμf，‖2）}和Y=Ef，?/Ef，½。平行于纖維方向和垂直于纖維方向的纖維的彈性模量和泊松比分別表示為Ef，‖，Ef，?和Γf，½，Γf和Γ。此外，Cf是Cf的比容量，ρf是纖維密度，α½表示假設比容量下Cf的可逆縱向膨脹系數。注意，每個CF層中的纖維方向上的應變（ε33）由由施加的彎矩引起的平均應變表示。電壓-應變耦合的完整推導和所使用的材料參數可在支持信息中獲得。

4.1.層壓板的機械和物理性能

 

所得的層壓板具有100GPa的縱向（纖維方向）彈性模量，該彈性模量是通過層壓板的彎曲和拉伸測試獲得的。彎曲試驗的載荷-位移曲線和拉伸試驗的應力-應變曲線的示例如圖2所示。

圖2. 層壓板的機械測試。

（a）CF復合材料層壓板三點彎曲的示例力-位移曲線

（b）CF復合材料層板拉伸試驗的示例應力-應變曲線。

 

使用組成成分的體積分數和密度來推導復合材料層壓板的密度。CF的密度為1.8g/cm3，分離器的密度為1.435g/cm3，SBE的密度為1.23g/cm3。CF層中CF與SBE的平均體積分數為49%，而分離器層中分離器與SBE之間的體積分數為45%。這給出了1460kg/cm3的層壓板的平均密度。相比之下，典型的CF單向預浸料的模量在130–180 GPa范圍內，密度約為1600 kg/cm3，而鋁的模量為69 GPa，密度為2700 kg/cm3。在對樣品進行灌封和拋光后，使用顯微鏡獲得CF的32μm和分離器的20μm的層厚度（見圖1f）。應該注意的是，厚度的變化導致不同樣品的計算機械性能的變化。

 

4.2. PECT在拉伸和壓縮中的作用

 

活化后，將層壓板從袋狀電池袋中取出，并包裹在低密度聚丙烯薄層（厚度≈15μm）中，以防止SBE的液相蒸發。將層壓板夾在一端以形成懸臂，將兩個集電器連接到恒電位儀以施加和測量電流和電壓。已知恒定曲率的兩部分3D打印夾具用于使懸臂沿纖維方向機械變形（見圖1e）。在釋放變形25秒之前，用夾具將變形保持在適當位置約25秒。在最終變形保持約120秒之前，重復進行四次。應變狀態如圖3a所示，一層為壓縮狀態，另一層為拉伸狀態，振幅相等。在變形狀態下，纖維方向上的應變通過層壓板厚度線性變化。這里，每個CF層中的平均應變變化（Δε33）用于表示變形應變狀態（見圖S6）。圖3b顯示了上CF電極被重復變形到30 mm的半徑，對應于Δε33=0.09%的平均拉伸應變變化。在變形時，觀察到電勢從穩態明顯上升，與Li金屬對電極相比，幅度約為0.52±0.14 mV。圖3c顯示了相同變形過程中較低的CF層，但Δε33=−0.09%。從穩態開始，電勢明顯下降，與Li相比，幅度約為0.49±0.13 mV。電壓的變化與施加變形的速度一樣快。壓縮PECT效應因此在大小上與拉伸PECT效應相等，但在符號上相反。

圖3. PECT測量。

a臂循環彎曲過程中的應變狀態。

b（b，c）懸臂的上CF層和下CF層分別相對于鋰金屬參比電極的電壓。在測量過程中觀察到參比電極中大約0.2mV的漂移。這是在使用梯度約為4×10–4 mV/s的線性增加的初始電壓進行建模時考慮到的。

c（d）懸臂的兩個CF層之間的電壓差。虛線是理論預測。

 

在圖3b，c中可以看到電勢的微小變化，特別是在較長的變形過程中。這被認為是由與鋰金屬參比電極的接觸不一致引起的。

 

圖3d顯示了在測量兩個CF層之間的電勢時的相同測試。電壓變化約為1mV。這等于兩個獨立測量的電極電勢的大小之和。這里，在沒有參考電極的情況下，電壓在變形時看起來保持更加一致，并且電壓沒有返回到穩定狀態的趨勢。因此，施加彎曲變形有效地使可獲得的電壓變化加倍。這種效應使得能夠在沒有寄生成分的情況下測量材料內的彎曲應變。

 

對于0.09%的應變，預測的電壓變化與Li/Li+的關系為0.63mV，如圖3b、c中的虛線所示，這與實驗觀察結果非常一致。當應變至±0.09%時，這導致兩個CF層之間的電壓差為1.26 mV，這也與圖3d中的實驗數據非常一致。預測的變化略高于實驗觀測值，這種差異被認為是由模型簡化引起的，例如，施加的邊界條件和使用的材料數據。

 

測試了直接拉伸中的PECT效應，以驗證使用平均應變來表示彎曲變形的假設。這是使用先前描述的方法進行測量的。使用拉伸試驗機將0.11%的循環拉伸應變施加到鋰化CF束上，并測量PECT響應。電位變化的幅度為0.52 mV，這與之前的工作一致。這表明，使用夾具施加的平均應變可以與使用直接拉伸應變施加的平均應力進行比較。

 

4.3.短路電流測量

 

通過防止層壓板變形時的電流流動，PECT效應產生開路電位（OCP）的變化。相反，通過外部電路連接兩個CF電極并施加0V電位，當層壓板變形時，電流將流動，稱為短路電流（SCC）。OCP和SCC分別給出了施加應變時可用電壓和電流變化的上限。電化學和機械系統的耦合性質使得能量收集成為可能。

 

測量兩個CF層之間的OCP和SCC的各種應用平均應變差，由2|Δε33|給出。例如，一層張緊至0.09%應變，另一層壓縮至-0.09%應變，應變差變為0.18%。使用四種不同的夾具施加一定范圍的應變，使應變差等于0.04、0.06、0.08和0.18%。通過翻轉夾具來施加向上和向下彎曲。對于OCP測量，將兩個CF電極連接到恒電位儀， 并且在測量電壓時不允許電流流動。對于SCC，使用恒電位儀將CF層之間的電壓保持在0V，并測量電流。懸臂首先在向下彎曲時變形，然后在向上彎曲中變形，施加應變約10秒，其間間隔10秒。

圖4a顯示了在向上和向下彎曲的施加應變范圍內的OCP響應。OCP隨著施加應變的增加而增加，當從向下彎曲變為向上彎曲時符號相反。圖4b顯示了每個施加應變的平均OCP變化幅度。誤差條表示OCP在非應變和應變狀態下的標準偏差的總和。OCP響應與應變呈線性關系，在0.18%的應變差下達到約1.5mV的最大值。當將應變方向從向上彎曲反轉為向下彎曲時，OCP響應的符號從正變為負，盡管響應的幅度基本相同。因此，OCP響應是材料中平均應變水平以及彎曲狀態的直接測量。

圖4. OCP和SCC在不同彎曲曲率下的響應。

（a） 兩個CF層之間的OCP，用于在向上和向下彎曲中變化

（b） 的應變差。

（c） 對于不同的應變差異，兩個CF層之間的OCP響應的

平均幅度。兩個CF層之間的SCC，用于向上和向下彎曲中的不同應變差異。

（d） 對于不同的應變差異，兩個CF層之間的SCC響應

的平均幅度。這里使用的CF層疊懸臂的有效長度為42毫米，寬度為15毫米，總質量為78.5毫克。有效CF電極質量為43.6毫克。

 

圖4c顯示了施加應變后的SCC響應，而圖4d顯示了平均SCC變化的幅度，誤差條表示未應變和應變狀態下SCC標準偏差的總和。SCC響應的大小與應變呈線性關系，在應變差為0.18%的情況下，最大值約為2μa。SCC遵循與OCP相同的模式，當從向上彎曲到向下彎曲時，響應變化符號。對于向上彎曲，電流變化的幅度略低。這可能是由于CF層之間的殘余負電流較小。這在電化學系統中產生了離子分布梯度，這將略微放大更負的響應，并略微抑制更正的響應。

 

4.4.能量收集

 

OCP和SCC的測量給出了可用功率的理論上限，兩者的乘積給出了理想的可用功率。這是類似能量采集器經常報告的功率。在這種情況下，基于活性CF電極質量，可用的最大理想功率約為69 nW/g。然而，由于測量SCC時沒有電勢差，測量OCP時沒有電流，因此不會產生功率。為了測量實際可用功率，有必要在電路中具有已知的電氣負載。

 

普雷梅斯貝格（Preimesberger）等人報告的方法用于在電路中串聯連接各種電阻器，如圖5a所示。使用了10、100、1000和7000Ω的電阻器。使用了最高的可用施加應變，對應于0.18%的應變差。使用恒電位儀在CF層之間施加0V，并測量復合懸臂偏轉時的電流變化。使用歐姆定律計算電阻器兩端的相應電壓變化。電壓變化和電流的乘積就是輸出功率。

圖5. 能量收集結果。

（a）測量可用于能量收集的功率的實驗裝置。在測量電流變化的同時，將不同的外部電負載與CF層壓板和恒電位儀串聯連接。

（b） 彎曲過程中兩個CF層之間的SCC，應變差為0.18%。

（c） 在各種外部電氣負載和測量響應的線性擬合的情況下彎曲過程中的電流-電壓分布。

(d) 在各種外部電負載和43.6mg的活性CF電極質量的情況下用于能量收集的重量功率分布。

 

圖5b顯示了施加應變時的電流分布，外部電阻增加導致電流響應降低。圖5c顯示了由此產生的電流-電壓曲線。正如預期的那樣，對于小擾動，電流和電壓之間的關系是線性的。線性曲線擬合如圖5c所示。然后可以計算功率，如圖5d所示。理論功率可以通過對圖5c中關于電壓的線性曲線擬合進行積分來計算?；诨钚訡F電極質量，測得的最大功率約為18nW/g。因此，填充系數約為26%，與其他地方報道的類似，填充系數定義為理想功率與最大可用功率之間的比率。使用1000Ω外部電阻器獲得最大功率，該電阻器與使用電阻抗譜法發現的860ΩCF層之間的內部電阻大致匹配。這與最大功率轉移定理以及先前的發現一致。

這項研究證明了CF復合材料層壓板的兩個額外功能：能量收集和應變傳感。實驗測量的功率與其他已發表的關于PECT能量采集器（如鋰化鋁和鈉化黑磷）的文獻相比是有利的。然而，這些研究使用了使用液體電解質的非結構材料，并且需要顯著更高的施加應變。

 

這里展示的CF層壓板包含SBE，生產出比剛度顯著高于鋁的結構材料，并與商業CF預浸料一致。由于PECT效應產生的電壓-應變耦合，OCP和機械應變之間存在線性關系，因此可以進行應變傳感。估計電壓-應變耦合的理論框架與實驗觀察結果非常一致。由于電壓信號中的噪聲（濾波信號約為0.1mV，圖3），應變測量的下限約為0.01%。

 

電壓和電流響應的壽命在這里沒有被檢查。然而，人們認為CF本身在重復彎曲過程中不應遭受顯著的結構損傷，因為此處使用的應變非常低。先前已經測試了鋰插入對相同CF的機械性能的影響，即使在1000次循環后也觀察到最小的機械降解。先前已經測試了嵌入SBE中的單層CF的電化學循環后的機械性能，顯示出剛度或強度沒有退化?？紤]到在能量收集實驗中施加的應變非常低（0.09%），隨著時間的推移，這不太可能影響機械性能。其他PECT能量采集器在重復循環中表現出相對良好的長期穩定性，表明響應在重復的機械應變循環中應該是穩定的。在我們的情況下，考慮到少量的電荷轉移，電化學系統的日歷壽命很可能是限制因素。這將取決于系統與外部環境的隔離程度（例如，與濕氣侵入的隔離程度）。

 

由于這是創建剛性能量收集材料的第一次嘗試，因此材料成分或材料組件遠未優化?？梢宰龊芏嗍虑閬硖岣唠娏骱碗妷喉憫姆?，從而獲得更多的能量。通過使應變加倍，OCP和SCC的變化應該可以加倍。這將導致四倍的功率，因為在這里使用的應變包絡內，功率與應變的平方成比例。只要不發生機械故障，應變可能會進一步增加。PECT響應的差異雖然相當小，但之前已經測量過兩種不同CF的差異。因此，有可能存在具有更高PECT響應的其他CF，這可以提高感測能力和收獲功率。較小直徑的CFs將導致更快的擴散，提供更高的速率能力并降低過電勢。所用的SBE尚未優化，進一步的開發工作可能會使離子電導率提高一個數量級。通過調整SBE的多孔聚合物結構，可以減少曲折度，提高離子導電性。通過使用不同的溶劑/鹽組合，最有可能改善液體電解質的傳輸特性，從而增加能量采集器的電流響應。這也將在更高的頻率下擴展采集器的頻率包絡，盡管基于PECT的能量采集由于離子擴散過程仍然局限于低頻，如在其他地方所討論的。

 

本文中進行的實驗是在干燥的氬氣氣氛中進行的。通過使用具有適當阻隔性能的薄膜（如超薄玻璃）適當封裝CF層壓板，層壓板可以在環境條件下工作。

 

從周圍環境中獲取能量的能力是對能量存儲的重要補充能力。低至中頻結構能量采集器在重量敏感的自主應用中特別有用，如無人機、衛星和醫療應用。為了利用多功能性，結合結構功能和應變傳感功能的設備將是理想的。實時感知應變可最大限度地減少結構的尺寸過大，并提高安全性和維護程序。鋰化CF可用于取代其他增加寄生質量并對機械性能產生不利影響的結構健康監測系統，如光纖（optical fibers）、壓電體和壓阻材料。相同的結構材料可用于形狀變形，并且通過添加正極層，也可以用作結構電池。

電壓-應變耦合的分析模型有可能幫助未來PECT能量采集器和應變傳感器的設計，以及機械應變下各向異性電池電極的設計。

這里提出的結構CF復合材料層壓板的縱向模量幾乎與商業CF預浸料材料相當，這些材料先前已被證明能夠改變形狀。這里展示的另外兩種功能使材料同時具有四種功能：承載、形狀改變、能量收集和應變傳感。該研究表明了CF/SBE復合材料在未來多功能應用中的多種可能性。

 

編譯寄語

碳纖維被譽為“黑色黃金”，但是僅有碳纖維不能制造成品、零件。它與基材配合才能演繹出，形形色色、性能各異的復合材料。如與環氧樹脂基材結合，就成為熱固性復材；與熱塑 性樹脂基材結合，就成為熱塑性復材。

本文介紹的是碳纖維與結構電池電解質（SBE）結合，造出了多功能碳纖維復合材料。

 

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

楊超凡2024.3.31