未来的电动汽车、无人机、机器人，能否不再把电池当作“额外负担”，而是让机身、车身、骨架本身就具备储能能力？近日，上海交大薄板结构制造研究所在结构储能领域取得重要进展，提出了一种全新的结构储能复合材料架构——结构锂离子电容器（Structural Lithium-Ion Capacitor, SLIC），通过调控碳纤维内部锂离子嵌入脱出行为，实现了承载与储能功能的一体化统一。

相关研究成果以 “Intercalation-Modulated Carbon Fibers Unify Gigapascal Strength with Superior Electrochemical Performance in Structural Lithium-Ion Capacitors” 为题发表于国际能源材料领域Top期刊Energy Storage Materials (IF: 20.2)。博士生江晟达为论文第一作者，何霁副教授为通讯作者，林忠钦院士和李永兵教授为论文合作者。

 

打破边界：让碳纤维从“承载材料”变成“储能电极”

随着电动汽车、航空航天装备、智能机器人等轻量化系统快速发展，传统电池和超级电容器已难以同时满足高能量密度、高功率密度与高结构强度需求。结构储能复合材料因此成为国际前沿方向：它试图消除“储能器件”和“承载结构”之间的边界，使同一种材料既能承担机械载荷，又能储存和释放能量。

在此类体系中，碳纤维通常被视为高强度增强体，也可作为电极材料。然而，已有结构超级电容器虽然功率输出较快，但能量密度有限；结构电池虽然具备更高能量潜力，却常面临功率密度低、碳纤维不可逆容量损失、界面阻抗增大、结构强度下降等问题。团队注意到，碳纤维在结构储能复合材料的总质量中占有重要比例，其本征锂离子存储能力却尚未被充分利用。

 

创新架构：构建结构锂离子电容器新架构，开发材料结构一体化成形工艺

针对上述瓶颈，团队提出结构锂离子电容器新架构，并开发“碳纤维嵌锂调控-层状铺叠组装-结构电解质浸润-热压固化成形”的材料结构一体化成形工艺。该工艺首先通过电化学嵌锂调控，将碳纤维转化为低电位、可逆储锂负极；随后将嵌锂碳纤维负极、隔膜和碳纤维基正极进行层状铺放，灌注结构电解质前驱液，经热压固化后形成储能承载一体化薄壁构件。

该结构同时利用碳纤维负极的锂离子嵌入/脱嵌行为与碳纤维基正极的离子吸附行为，构建兼具电池型嵌锂反应和电容型快速吸附的混合储能机制。该设计既补偿了碳纤维首次不可逆容量损失，又避免了传统结构电池中厚重活性材料涂层对结构性能的削弱，为未来先进薄壁构件的储能承载一体化制造提供了新技术方案与成形工艺路径。

图1. 结构锂离子电容器的概念示意

图2. 结构锂离子电容器的材料结构一体化成形工艺

揭示机理：嵌锂碳纤维兼具可逆储能与高效承载

团队进一步通过电化学测试、飞行时间二次离子质谱、分子动力学模拟和原位X射线微纳CT/DVC分析，系统揭示了碳纤维中锂离子的分布、迁移和力学响应机理。

研究发现，完全嵌锂后的碳纤维中存在一部分与碳骨架相互作用较弱的锂离子，这部分锂有利于可逆脱嵌，并且对纤维结构扰动较小；而深度束缚的残余锂离子则可维持富锂界面环境，促进后续锂离子交换。阻抗测试表明，首次嵌锂/脱锂过程中SEI阻抗逐渐降低并稳定，说明界面在调控过程中形成了相对稳定的电化学状态。

在力学方面，原位四维数字体相关分析显示，嵌锂碳纤维层在加载过程中承担主要载荷，并保持较为均匀的应变演化；相比传统对称活性炭涂覆碳纤维结构，SLIC具有更高的拉伸模量和强度，说明嵌锂调控并未削弱碳纤维的结构承载能力。

图3. 碳纤维嵌锂调控与锂离子分布表征结果

突破性能：兼具高强度、高电压、高功率和高稳定性

为进一步提升结构利用效率，团队将平纹玻璃纤维隔膜替换为具有致密纤维网络的超薄纤维素膜，增强了层间界面结合与应力传递。优化后的 SLIC 实现了72.2 GPa模量、1084 MPa拉伸强度、44.5 Wh/kg能量密度、789 W/kg功率密度、3.95 V工作电压以及接近完全的正极容量利用率。

团队还通过多维雷达图将该体系与已报道结构储能复合材料进行对比，结果显示，SLIC在力学强度、能量密度、功率密度、可用电压窗口和正极容量利用率等多个维度均表现出综合优势。基于结构效率和电化学效率计算的多功能效率超过150 %，表明其具备显著质量节省潜力。

图4. SLIC 的储能性能、力学性能和与已报道结构储能复合材料的性能对比

应用前景：下一代具身储能薄壁构件

为验证实际应用潜力，团队进一步展示了SLIC薄板（0.4 mm厚度）在超过25倍自重的弯曲载荷作用下为LED屏、电子墨水屏和微型风扇稳定供电的能力，证明该材料体系能够在承载状态下实现持续能量输出。

该研究提出了结构锂离子电容器这一新型结构储能复合材料架构，为“具身储能”薄壁构件提供了新的技术基础与工艺路径。未来，相关成果有望服务于轻量化电动交通、无人飞行器、智能机器人和航空航天装备等领域，推动薄壁构件从“仅用于承载”向“承载储能一体化”转变。

图5. SLIC 薄板在载荷作用下为LED灯、电子墨水屏和微型风扇供电的展示

该研究工作得到了国家自然科学基金、先进材料国家科技重大专项、机械系统与振动国家重点实验室、联合汽车电子有限公司资助博士项目的资助。研究过程中，上海交通大学薄板结构制造研究所陈伟主任及实验室工程师、上海纳米技术及应用国家工程研究中心王金玉老师与张芳副总工程师、上海交通大学分析测试中心在实验测试方面给予了大力支持，在此一并致谢。

 

 

论文链接：

Intercalation-Modulated Carbon Fibers Unify Gigapascal Strength with Superior Electrochemical Performance in Structural Lithium-Ion Capacitors

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105285

返回列表