引言

在能源轉型與儲能技術快速發展的背景下，材料科學的創新成為推動能源設備性能突破的核心驅動力之一。碳纖維功能材料憑借其優異的力學性能、化學穩定性、導電性及可設計性，在燃料電池、液流電池、鉛酸電池替代及鋰離子電池等能源領域展現出獨特的應用價值。與傳統金屬材料、無機非金屬材料相比，新型碳纖維功能材料通過結構調控與復合改性，能夠針對性解決能源設備在傳質效率、穩定性、能量密度等方面的關鍵問題。

一、碳纖維功能材料在燃料電池氣態擴散層（GDL）中的應用

（一）氣態擴散層的功能定位與性能需求

氣態擴散層是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心組件之一，位于催化劑層與雙極板之間，主要承擔三大功能：一是作為氣體通道，實現反應氣體（氫氣、氧氣）向催化劑層的均勻擴散；二是作為電子傳輸路徑，將催化劑層產生的電子傳導至雙極板；三是作為排水通道，及時排出反應生成的水，避免 “水淹” 現象影響電池性能?；诖?，GDL 需具備優異的透氣性、導電性、耐腐蝕性及一定的機械強度，同時需在長期干濕循環、酸堿環境下保持結構穩定性。

GDL微觀結構示意圖

（二）碳纖維基 GDL 的材料特性與結構設計

目前商業化 GDL 主要以碳纖維紙為基材，其制備過程涉及碳纖維分散、成型、浸漬樹脂及碳化處理等關鍵步驟。碳纖維的選擇直接影響 GDL 的核心性能：PAN 基碳纖維具有較高的抗拉強度與導電性，適用于對機械性能要求較高的場景；瀝青基碳纖維則因石墨化程度高，在導電性與耐腐蝕性方面更具優勢，但成本相對較高。

為優化 GDL 的傳質性能，行業內普遍采用多孔結構設計與表面改性技術。多孔結構通過調控孔徑分布（通常為 1-10μm）與孔隙率（70%-85%），平衡氣體擴散與排水效率 —— 孔徑過大易導致氣體短路，孔徑過小則可能引發水堵塞；表面改性則通過涂覆聚四氟乙烯（PTFE）等疏水材料，改善 GDL 的排水能力，同時減少電解液對碳纖維的腐蝕。此外，部分研究通過在碳纖維表面負載納米催化劑（如鉑、鈀），實現 GDL 與催化劑層的功能集成，進一步提升電池反應效率。

（三）技術挑戰與發展方向

當前碳纖維基 GDL 面臨的主要技術挑戰包括：一是成本控制，碳纖維原料與制備工藝的高成本限制了其在民用燃料電池領域的大規模應用；二是性能一致性，批量生產中碳纖維分散不均、孔隙率波動等問題易導致 GDL 性能差異，影響電池組的整體穩定性；三是長期耐久性，在高溫、高濕及電化學腐蝕環境下，碳纖維的結構完整性與導電性易下降，導致 GDL 壽命縮短。

未來發展方向可聚焦三個方面：一是低成本化，開發回收碳纖維利用技術、簡化碳化工藝，降低原材料與生產成本；二是結構精準調控，通過靜電紡絲、3D 打印等新技術實現 GDL 孔徑與孔隙率的精準控制，進一步優化傳質效率；三是復合改性，將碳纖維與陶瓷、金屬氧化物等材料復合，提升 GDL 的耐腐蝕性與機械穩定性，延長其使用壽命。

二、液流電池電極材料用碳氈（石墨氈）的技術特性與應用

（一）液流電池電極的功能需求與碳氈的優勢

液流電池作為大規模儲能技術的重要方向，其電極材料需滿足高比表面積、優異的導電性、良好的電解液浸潤性及耐氧化還原腐蝕等要求。碳氈（石墨氈）因具備三維多孔結構、高比表面積（通常為 100-300m2/g）、優異的化學穩定性及低成本特性，成為液流電池電極的主流選擇。與傳統石墨板、碳纖維布相比，碳氈的多孔結構能夠為電解液提供充足的流動通道，同時增加反應活性位點，提升電池的充放電效率。

（二）碳氈（石墨氈）的制備工藝與性能調控

碳氈的制備以聚丙烯腈（PAN）、瀝青或粘膠纖維為原料，經紡絲、成氈、預氧化、碳化及石墨化處理而成。其中，預氧化與碳化過程是影響碳氈結構與性能的關鍵：預氧化通過低溫（200-300℃）加熱使纖維發生環化、氧化反應，避免后續碳化過程中纖維熔融；碳化在惰性氣氛下（800-1500℃）進行，去除纖維中的非碳元素，形成類石墨結構；石墨化則通過高溫（2000-3000℃）處理進一步提高碳氈的石墨化程度，增強導電性與化學穩定性。

為提升碳氈的電極性能，行業內廣泛采用表面改性技術。常見的改性方法包括：一是氧化改性，通過硝酸、雙氧水等氧化劑處理，在碳氈表面引入羥基、羧基等含氧官能團，改善電解液浸潤性與反應活性；二是摻雜改性，通過氮、磷等元素摻雜，調控碳氈的電子結構，提升其催化活性；三是復合改性，將碳納米管、石墨烯等納米材料負載于碳氈表面，增加比表面積與導電性。例如，氮摻雜石墨氈在全釩液流電池中表現出更高的電壓效率與能量效率，其原因在于氮原子的引入增強了碳氈對釩離子的吸附能力與催化活性。

（三）應用現狀與技術優化方向

目前碳氈（石墨氈）已廣泛應用于全釩液流電池、鋅溴液流電池等主流液流電池體系。在全釩液流電池中，石墨氈的性能直接影響電池的庫倫效率與循環壽命—— 優質石墨氈可使電池庫倫效率達到 95% 以上，循環壽命超過 10000 次。但在實際應用中，碳氈仍存在一些問題：一是電解液浸潤不均，導致局部反應效率低下；二是長期運行中碳氈表面易發生釩離子沉積，堵塞孔隙，影響電池性能；三是高電流密度下，碳氈的導電性不足，導致電壓損失增大。

未來技術優化可從三個方面入手：一是制備工藝改進，通過調控紡絲參數、優化碳化與石墨化溫度，實現碳氈孔徑分布與石墨化程度的精準控制；二是表面改性技術創新，開發綠色環保的改性方法（如等離子體改性），避免化學試劑對環境的污染；三是結構設計創新，設計梯度多孔結構的碳氈，改善電解液的分布均勻性，減少局部濃差極化。

三、替代鉛酸電池鉛板電極的碳氈板技術探索

（一）鉛酸電池的痛點與碳氈板的替代優勢

鉛酸電池因成本低、技術成熟，廣泛應用于電動自行車、儲能電站等領域，但存在重量大、比能量低（通常為 30-50Wh/kg）、鉛污染嚴重等問題。隨著環保要求的日益嚴格與新能源技術的發展，尋找鉛板電極的替代材料成為行業共識。碳氈板憑借其輕質（密度約為 1.5-2.0g/cm3，僅為鉛的 1/10）、高比表面積、優異的導電性及可回收性，成為潛在的替代材料之一。與鉛板相比，碳氈板電極可使鉛酸電池的重量減輕 30%-50%，比能量提升 20%-30%，同時避免鉛污染，符合綠色環保發展趨勢。

（二）碳氈板的性能要求與制備技術

作為鉛酸電池電極的替代材料，碳氈板需滿足以下性能要求：一是高導電性，確保電子的高效傳輸，減少歐姆損失；二是良好的耐硫酸腐蝕性能，適應鉛酸電池的酸性電解液環境；三是優異的充放電循環穩定性，避免電極在充放電過程中發生結構坍塌；四是良好的鉛沉積能力，確保電池的容量保持率。

碳氈板的制備通常以 PAN 基碳纖維為原料，經成氈、浸漬樹脂（如酚醛樹脂、環氧樹脂）、碳化、表面改性等步驟而成。其中，表面改性是提升碳氈板性能的關鍵：通過鍍鎳、鍍銅等金屬涂層處理，可顯著提升碳氈板的導電性；通過涂覆聚四氟乙烯（PTFE）與硫酸鋇復合涂層，可改善碳氈板的耐腐蝕性與鉛沉積能力。此外，部分研究通過在碳氈板中添加活性炭、石墨烯等納米材料，進一步提升其比表面積與電容性能，增強電池的倍率放電能力。

（三）應用挑戰與產業化前景

目前碳氈板在鉛酸電池中的應用仍處于探索階段，面臨以下挑戰：一是界面相容性問題，碳氈板與電解液的界面接觸電阻較大，導致電池的充放電效率低于傳統鉛板電極；二是循環壽命不足，在長期充放電過程中，碳氈板的孔隙易被鉛 dendrite（枝晶）堵塞，導致電池容量快速衰減；三是成本問題，碳氈板的制備成本高于傳統鉛板，影響其商業化推廣。

盡管面臨挑戰，碳氈板的產業化前景依然廣闊。隨著技術的不斷進步，以下措施有望推動碳氈板的規模化應用：一是界面改性技術優化，開發新型界面涂層材料，降低碳氈板與電解液的接觸電阻；二是結構設計創新，設計多孔梯度結構的碳氈板，抑制鉛枝晶的生長；三是成本控制，通過規?；a、原材料回收利用等方式，降低碳氈板的制備成本。預計未來 5-10 年，碳氈板在輕型鉛酸電池（如電動自行車電池）領域將實現小規模應用，并逐步向儲能電站等領域拓展。

四、提升鋰離子電池能量密度的多微孔碳纖維材料

（一）鋰離子電池能量密度的瓶頸與多微孔碳纖維的作用

鋰離子電池的能量密度是決定電動汽車、便攜式電子設備續航能力的關鍵指標。目前商業化鋰離子電池的能量密度已達到 200-300Wh/kg，但仍無法滿足高端應用需求（如電動汽車續航里程突破 1000km）。能量密度的提升主要受限于電極材料的比容量與電池的體積利用率 —— 傳統電極材料（如石墨負極、三元正極）的比容量已接近理論極限，而電極的致密化設計又易導致離子傳輸效率下降。多微孔碳纖維材料通過獨特的多孔結構設計，能夠在提升電極比表面積的同時，改善離子傳輸通道，為鋰離子電池能量密度的突破提供新路徑。

（二）多微孔碳纖維的結構特性與制備技術

多微孔碳纖維具有三維連通的多孔結構，孔徑通常分布在 10-100nm 之間，孔隙率可達 80% 以上。這種結構特性使其具備兩大優勢：一是高比表面積，為鋰離子的脫嵌提供充足的活性位點，提升電極的比容量；二是優異的離子傳輸性能，多孔結構形成連續的離子通道，降低離子傳輸阻力，提升電池的倍率性能。

多微孔碳纖維的制備主要采用模板法、靜電紡絲法與相分離法。模板法以多孔氧化鋁、二氧化硅為模板，將碳纖維前驅體（如 PAN、瀝青）填充至模板孔隙中，經碳化與模板去除后形成多微孔結構；靜電紡絲法通過高壓電場使前驅體溶液形成納米纖維，經碳化后形成多孔纖維膜，該方法具有制備過程簡單、孔徑易調控等優勢；相分離法通過調控前驅體溶液的相分離過程，形成多孔結構，再經碳化處理得到多微孔碳纖維。此外，部分研究通過在碳纖維中摻雜硅、錫等合金材料，進一步提升電極的比容量（硅基電極的理論比容量可達 4200mAh/g，遠高于石墨的 372mAh/g）。

（三）應用現狀與性能優化方向

目前多微孔碳纖維材料主要應用于鋰離子電池的負極與正極載體。在負極方面，多微孔碳纖維基負極材料的比容量可達 1000-2000mAh/g，循環壽命超過 1000 次，已接近商業化應用水平；在正極方面，多微孔碳纖維作為正極載體，可改善正極材料（如磷酸鐵鋰、三元材料）的分散性與導電性，提升正極的比容量與循環穩定性。

未來性能優化可聚焦三個方向：一是結構精準調控，通過優化制備工藝，實現多微孔碳纖維孔徑、孔隙率與孔道結構的精準控制，進一步平衡比容量與離子傳輸效率；二是復合改性，將多微孔碳纖維與高比容量材料（如硅、硫）復合，提升電極的整體比容量；三是界面穩定性提升，通過涂覆固態電解質、設計人工 SEI 膜等方式，改善多微孔碳纖維與電解液的界面穩定性，減少副反應的發生，延長電池壽命。

五、預氧氈 + 二氧化硅氣凝膠復合材料的性能與應用

（一）復合材料的協同效應與性能優勢

預氧氈是 PAN 基碳纖維的前驅體材料，具有良好的耐熱性（長期使用溫度可達 200-300℃）、柔韌性與多孔結構；二氧化硅氣凝膠則是一種新型多孔材料，具有極低的密度（0.003-0.1g/cm3）、高孔隙率（80%-99.8%）與優異的隔熱性能（導熱系數低至 0.012W/(m?K)）。將預氧氈與二氧化硅氣凝膠復合，可實現兩者性能的協同互補：預氧氈為復合材料提供良好的力學支撐與結構穩定性，二氧化硅氣凝膠則賦予復合材料優異的隔熱、保溫性能，同時保留預氧氈的多孔結構特性。

（二）復合材料的制備工藝與性能調控

預氧氈 + 二氧化硅氣凝膠復合材料的制備主要采用溶膠 - 凝膠法與浸漬法。溶膠 - 凝膠法通過將硅源（如正硅酸乙酯）與溶劑、催化劑混合形成溶膠，將預氧氈浸漬于溶膠中，待溶膠凝膠化后，通過超臨界干燥或冷凍干燥去除凝膠中的溶劑，形成二氧化硅氣凝膠，最終得到復合材料；浸漬法則直接將二氧化硅氣凝膠顆粒與粘結劑混合形成漿料，涂覆于預氧氈表面或填充至預氧氈孔隙中，經干燥固化后形成復合材料。

復合材料的性能調控主要通過以下方式實現：一是預氧氈結構調控，通過調整預氧氈的厚度、孔隙率，控制二氧化硅氣凝膠的負載量與分布均勻性；二是二氧化硅氣凝膠性能優化，通過摻雜金屬氧化物（如氧化鋁、氧化鋯）、表面改性（如疏水改性），提升氣凝膠的機械強度與耐水性；三是復合工藝優化，通過調整浸漬時間、干燥溫度等參數，減少復合材料內部的孔隙與缺陷，提升其結構完整性。

（三）應用領域與發展前景

預氧氈 + 二氧化硅氣凝膠復合材料憑借其優異的隔熱性能、力學性能與耐溫性能，在新能源、航空航天、建筑等領域具有廣泛的應用前景。在新能源領域，該復合材料可作為鋰離子電池、燃料電池的隔熱材料，減少電池在充放電過程中的熱量散失，提升電池的溫度穩定性；在航空航天領域，可作為航天器的隔熱層，抵御極端溫度環境；在建筑領域，可作為新型保溫材料，替代傳統保溫材料，提升建筑的節能效果。

目前該復合材料面臨的主要挑戰是成本較高（二氧化硅氣凝膠的制備成本較高）與機械強度不足（氣凝膠的脆性較大，易導致復合材料開裂）。未來發展方向可聚焦：一是低成本制備技術開發，優化氣凝膠的制備工藝，降低生產成本；二是復合結構設計創新，通過層狀復合、纖維增強等方式，提升復合材料的機械強度；三是功能拓展，通過摻雜、表面改性等方式，賦予復合材料抗菌、防火等額外功能，拓展其應用領域。

結語

新型碳纖維功能材料憑借其獨特的結構與性能優勢，在能源存儲與轉化領域展現出巨大的應用潛力。從燃料電池的氣態擴散層到鋰離子電池的多微孔負極材料，從液流電池的碳氈電極到鉛酸電池的碳氈板替代材料，再到預氧氈與二氧化硅氣凝膠的復合應用，碳纖維功能材料正逐步突破傳統材料的性能瓶頸，推動能源設備向高效、綠色、輕量化方向發展。

然而，當前碳纖維功能材料仍面臨成本較高、性能一致性不足、長期耐久性有待提升等問題，需要行業從業者在材料制備工藝、結構設計、復合改性等方面持續創新。未來，隨著技術的不斷進步與產業化規模的擴大，碳纖維功能材料有望在能源領域實現更廣泛的應用，為全球能源轉型與“雙碳” 目標的實現提供有力支撐。

參考資料：

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2、科技日報。釩電池研究獲得重要突破！商業應用指日可待 [EB/OL]. 2021-06-09.

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