功能化碳纖維既可以作為高效導電電極，又能在結構電池復合材料中繼續發揮增強體作用。本研究通過活性材料靜電組裝結合電泳沉積（EPD）工藝，制備了用于結構鋰離子電池復合材料的磷酸鐵鋰（LFP）基碳纖維正極。本文研究了碳纖維正極形貌如何影響其電化學性能與力學性能。

優化后的正極以亞微米級LFP顆粒、3wt%羧基功能化碳納米管（CNT）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）粘結劑沉積在碳纖維上制得，在0.1C倍率下比容量達到134mAh/g，200次循環后容量保持率為96%。

研究表明，涂覆后正極的形貌特征（包括粒徑、涂層厚度、界面比表面積和導電網絡設計）通過改變電荷轉移電阻、鋰離子擴散路徑、活性材料利用率以及界面間的載荷傳遞，顯著影響界面作用機制。碳納米管網絡形成了穩定的導電骨架，可緩解電化學應力并防止循環過程中活性顆粒孤立失效。

本研究得到的結論為碳纖維正極的材料開發與可規模化制備工藝提供了支撐，有助于在結構電池應用中同時實現高能量密度與優異力學性能。

1引言

結構儲能是一項具有開創性的理念，已在電池、電容器、超級電容器等多種形式中得到探索。其目標是通過開發能夠同時存儲電能與承受機械載荷的多功能材料，實現“無質量penalty”的儲能，從而使系統更輕量化、有效載荷更高、續航與工作時長更長。

與超級電容器相比，電池能夠在結構材料中實現高出數個數量級的儲能密度，但同時也面臨充放電過程中的體積變化、固體電解質界面（SEI）形成以及離子傳輸受限等挑戰。該領域早期的研究僅將軟包電池封裝進復合材料鋪層中，與外接電池相比，系統在質量上并無優勢，反而在力學性能上存在短板。

碳纖維是實現這類多功能輕量化設計的理想材料，可同時承擔三重作用：

（1）作為增強體承受載荷；

（2）作為工作電極的集流體；

（3）在嵌鋰過程中作為負極存儲鋰離子。

碳纖維可可逆地嵌入鋰離子，容量最高可達350mAh/g，使其成為合適的負極材料。然而，開發能夠有效集成活性材料、容量可與商業體系媲美，同時保持復合材料結構完整性與承載能力的碳纖維正極，仍然是一項重大挑戰。

在傳統正極活性材料中，磷酸鐵鋰（LFP）具有優異的安全性、長循環壽命、較高的理論容量（170mAh/g）、平穩的放電平臺，以及突出的熱穩定性與化學穩定性，這些特點使其成為結構正極的極具競爭力的選擇。LFP的主要缺點是電子電導率低、鋰離子擴散速率慢，充放電過程中電子傳輸路徑不足會造成較大能量損耗。通常通過在活性材料中引入碳基材料來解決這一問題，在碳纖維正極中，碳納米管（CNT）、石墨烯、氧化石墨烯（GO）、炭黑等已得到應用。

除正極化學體系外，電極的表面結構設計還受到厚度、孔隙率、顆粒尺寸、孔徑等形貌特征的綜合影響。這些參數的調整具有多方面且相互關聯的作用。在碳纖維基結構電池領域，傳統20–30μm厚的正極涂層需要向更適配的化學體系與結構轉變，厚度應控制在微米級。當使用直徑5–10μm的圓柱形碳纖維作為集流體時，這種調整對于在儲能容量、傳輸特性（電子電導率、離子電導率、擴散系數）與正極力學完整性之間取得平衡至關重要。更厚的涂層有利于能量密度，但會損害力學完整性。該結構下的沉積正極需要均勻，并能在結構電池復合材料中實現涂層碳纖維與基體之間穩定的載荷傳遞。此外，設計的正極界面應能夠緩沖循環過程中的體積變化，防止電極粉化、開裂以及從碳纖維上脫落。

目前已發展出多種用于碳纖維功能化的薄電極沉積技術，包括化學氣相沉積（CVD）、電泳沉積（EPD）、脈沖激光沉積、原子層沉積、磁控濺射、噴涂等。電泳沉積（EPD）因成本低、可控性好、可規模化、設備簡單，被認為是在碳纖維上制備單相薄電極的極具前景的技術。通過調整懸浮液組成與工藝參數，可在任意形狀（包括單絲碳纖維這類三維不規則基底）上獲得不同的涂層形貌。利用EPD已制備出與傳統商業制造方法性能相當的高性能正極。Sanchez等人采用EPD將LFP顆粒與剝離氧化石墨烯（EGO）復合沉積在碳纖維上，獲得了131mAh/g的最優性能。

盡管已有大量研究嘗試采用LFP、LiMn?O?、鎳錳鈷三元材料（NMC）等多種活性材料制備碳纖維正極，但在理解與優化沉積正極層的形貌以同時提升電化學與力學性能方面，仍存在顯著的知識空白。雖然LFP涂覆碳纖維已展現出良好效果，但極少有研究關注正極形貌特征（如活性材料粒徑、比表面積、厚度）對碳纖維正極電化學–力學性能的耦合影響。針對這類結構正極的新型材料與方法，需要探索設計兼容界面的途徑，使其與纖維和電解質同時實現高效的力學與電化學相互作用，確保在機械–電化學復合應力下的長期穩定性。此外，新一代電極的設計與制造依賴于制造能力，需要多學科綜合考量，因此必須全面理解制備、結構、性能與應用表現之間的關系。

本研究旨在彌補這一知識空白，闡明碳纖維正極的形貌特征（包括孔隙率、材料化學、連通性與涂層厚度）如何同時影響其電化學性能，以及結構碳纖維增強聚合物電池復合材料的彎曲強度、層間剪切強度（ILSS）和失效機制等力學性能。本工作的創新點在于揭示材料組成與沉積誘導形貌如何共同決定碳纖維正極的電化學與力學行為，闡明粒徑、涂層厚度、CNT網絡分布、載量如何協同控制結構電池復合材料內的離子傳輸、界面結合、裂紋形成與載荷傳遞路徑。

本文所設計的碳纖維正極組成為：LFP作為活性材料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為粘結劑，羧基功能化碳納米管（CNT）作為導電與結構增強劑。本研究未使用常用的聚偏氟乙烯（PVDF），而是選用PVP，因其具有良好的表面電荷、分散性與對LFP顆粒的穩定作用，可在EPD過程中獲得更優的涂層質量與結合力，同時有助于構建均勻的CNT導電與力學支撐網絡。

通過先對材料進行靜電組裝，再采用EPD工藝將其沉積到碳纖維上，制備了不同組成、不同LFP粒徑、不同厚度的碳纖維正極。通過電化學與力學分析，評價碳纖維正極的容量、阻抗與性能，以及所制備結構電池復合材料的力學性能，研究了涂層形貌與表面特性對正極性能的影響。

2材料與實驗方法

本研究所用磷酸鐵鋰（LFP）粒徑為100nm～3μm，由PrimetLab提供，LFP經過碳包覆，比容量為153mAh/g。碳納米管（CNT）由NanoLab提供，直徑15±5nm，長度5–20μm。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）購自Sigma-Aldrich。

將LFP?PVP?CNT按質量比92:5:3在二甲基甲酰胺（DMF）溶液中分散并通過超聲處理完成組裝。各組分依次加入懸浮液并超聲組裝：先加入PVP，再加入LFP，最后加入CNT。

實驗采用羧基功能化多壁碳納米管作為導電添加劑。表面羧基的存在使其對極性DMF介質具有更強的親和力，提升靜電組裝過程中的分散穩定性；這些官能團還能促進與PVP和LFP表面的良好相互作用，有利于在EPD過程中形成均勻網絡并增強碳纖維上的界面結合力。CNT的高長徑比有助于在涂層內形成連續導電通路，同時支持電荷傳輸與力學增強。

對于活性材料粒徑更小的正極，采用真空過濾DMF?LFP懸浮液的方式收集細顆粒。

需要說明的是，本文中提及的配比均為懸浮液組成，與最終沉積正極的實際組成可能存在差異。