新型碳纤维功能材料在能源存储与转化领域的应用​

引言

在能源转型与储能技术快速发展的背景下，材料科学的创新成为推动能源设备性能突破的核心驱动力之一。碳纤维功能材料凭借其优异的力学性能、化学稳定性、导电性及可设计性，在燃料电池、液流电池、铅酸电池替代及锂离子电池等能源领域展现出独特的应用价值。与传统金属材料、无机非金属材料相比，新型碳纤维功能材料通过结构调控与复合改性，能够针对性解决能源设备在传质效率、稳定性、能量密度等方面的关键问题。

一、碳纤维功能材料在燃料电池气态扩散层（GDL）中的应用

（一）气态扩散层的功能定位与性能需求

气态扩散层是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心组件之一，位于催化剂层与双极板之间，主要承担三大功能：一是作为气体通道，实现反应气体（氢气、氧气）向催化剂层的均匀扩散；二是作为电子传输路径，将催化剂层产生的电子传导至双极板；三是作为排水通道，及时排出反应生成的水，避免 “水淹” 现象影响电池性能。基于此，GDL 需具备优异的透气性、导电性、耐腐蚀性及一定的机械强度，同时需在长期干湿循环、酸碱环境下保持结构稳定性。

GDL微观结构示意图

（二）碳纤维基 GDL 的材料特性与结构设计

目前商业化 GDL 主要以碳纤维纸为基材，其制备过程涉及碳纤维分散、成型、浸渍树脂及碳化处理等关键步骤。碳纤维的选择直接影响 GDL 的核心性能：PAN 基碳纤维具有较高的抗拉强度与导电性，适用于对机械性能要求较高的场景；沥青基碳纤维则因石墨化程度高，在导电性与耐腐蚀性方面更具优势，但成本相对较高。

为优化 GDL 的传质性能，行业内普遍采用多孔结构设计与表面改性技术。多孔结构通过调控孔径分布（通常为 1-10μm）与孔隙率（70%-85%），平衡气体扩散与排水效率 —— 孔径过大易导致气体短路，孔径过小则可能引发水堵塞；表面改性则通过涂覆聚四氟乙烯（PTFE）等疏水材料，改善 GDL 的排水能力，同时减少电解液对碳纤维的腐蚀。此外，部分研究通过在碳纤维表面负载纳米催化剂（如铂、钯），实现 GDL 与催化剂层的功能集成，进一步提升电池反应效率。

（三）技术挑战与发展方向

当前碳纤维基 GDL 面临的主要技术挑战包括：一是成本控制，碳纤维原料与制备工艺的高成本限制了其在民用燃料电池领域的大规模应用；二是性能一致性，批量生产中碳纤维分散不均、孔隙率波动等问题易导致 GDL 性能差异，影响电池组的整体稳定性；三是长期耐久性，在高温、高湿及电化学腐蚀环境下，碳纤维的结构完整性与导电性易下降，导致 GDL 寿命缩短。

未来发展方向可聚焦三个方面：一是低成本化，开发回收碳纤维利用技术、简化碳化工艺，降低原材料与生产成本；二是结构精准调控，通过静电纺丝、3D 打印等新技术实现 GDL 孔径与孔隙率的精准控制，进一步优化传质效率；三是复合改性，将碳纤维与陶瓷、金属氧化物等材料复合，提升 GDL 的耐腐蚀性与机械稳定性，延长其使用寿命。

二、液流电池电极材料用碳毡（石墨毡）的技术特性与应用

（一）液流电池电极的功能需求与碳毡的优势

液流电池作为大规模储能技术的重要方向，其电极材料需满足高比表面积、优异的导电性、良好的电解液浸润性及耐氧化还原腐蚀等要求。碳毡（石墨毡）因具备三维多孔结构、高比表面积（通常为 100-300m²/g）、优异的化学稳定性及低成本特性，成为液流电池电极的主流选择。与传统石墨板、碳纤维布相比，碳毡的多孔结构能够为电解液提供充足的流动通道，同时增加反应活性位点，提升电池的充放电效率。

（二）碳毡（石墨毡）的制备工艺与性能调控

碳毡的制备以聚丙烯腈（PAN）、沥青或粘胶纤维为原料，经纺丝、成毡、预氧化、碳化及石墨化处理而成。其中，预氧化与碳化过程是影响碳毡结构与性能的关键：预氧化通过低温（200-300℃）加热使纤维发生环化、氧化反应，避免后续碳化过程中纤维熔融；碳化在惰性气氛下（800-1500℃）进行，去除纤维中的非碳元素，形成类石墨结构；石墨化则通过高温（2000-3000℃）处理进一步提高碳毡的石墨化程度，增强导电性与化学稳定性。

为提升碳毡的电极性能，行业内广泛采用表面改性技术。常见的改性方法包括：一是氧化改性，通过硝酸、双氧水等氧化剂处理，在碳毡表面引入羟基、羧基等含氧官能团，改善电解液浸润性与反应活性；二是掺杂改性，通过氮、磷等元素掺杂，调控碳毡的电子结构，提升其催化活性；三是复合改性，将碳纳米管、石墨烯等纳米材料负载于碳毡表面，增加比表面积与导电性。例如，氮掺杂石墨毡在全钒液流电池中表现出更高的电压效率与能量效率，其原因在于氮原子的引入增强了碳毡对钒离子的吸附能力与催化活性。

（三）应用现状与技术优化方向

目前碳毡（石墨毡）已广泛应用于全钒液流电池、锌溴液流电池等主流液流电池体系。在全钒液流电池中，石墨毡的性能直接影响电池的库伦效率与循环寿命—— 优质石墨毡可使电池库伦效率达到 95% 以上，循环寿命超过 10000 次。但在实际应用中，碳毡仍存在一些问题：一是电解液浸润不均，导致局部反应效率低下；二是长期运行中碳毡表面易发生钒离子沉积，堵塞孔隙，影响电池性能；三是高电流密度下，碳毡的导电性不足，导致电压损失增大。

未来技术优化可从三个方面入手：一是制备工艺改进，通过调控纺丝参数、优化碳化与石墨化温度，实现碳毡孔径分布与石墨化程度的精准控制；二是表面改性技术创新，开发绿色环保的改性方法（如等离子体改性），避免化学试剂对环境的污染；三是结构设计创新，设计梯度多孔结构的碳毡，改善电解液的分布均匀性，减少局部浓差极化。

三、替代铅酸电池铅板电极的碳毡板技术探索

（一）铅酸电池的痛点与碳毡板的替代优势

铅酸电池因成本低、技术成熟，广泛应用于电动自行车、储能电站等领域，但存在重量大、比能量低（通常为 30-50Wh/kg）、铅污染严重等问题。随着环保要求的日益严格与新能源技术的发展，寻找铅板电极的替代材料成为行业共识。碳毡板凭借其轻质（密度约为 1.5-2.0g/cm³，仅为铅的 1/10）、高比表面积、优异的导电性及可回收性，成为潜在的替代材料之一。与铅板相比，碳毡板电极可使铅酸电池的重量减轻 30%-50%，比能量提升 20%-30%，同时避免铅污染，符合绿色环保发展趋势。

（二）碳毡板的性能要求与制备技术

作为铅酸电池电极的替代材料，碳毡板需满足以下性能要求：一是高导电性，确保电子的高效传输，减少欧姆损失；二是良好的耐硫酸腐蚀性能，适应铅酸电池的酸性电解液环境；三是优异的充放电循环稳定性，避免电极在充放电过程中发生结构坍塌；四是良好的铅沉积能力，确保电池的容量保持率。

碳毡板的制备通常以 PAN 基碳纤维为原料，经成毡、浸渍树脂（如酚醛树脂、环氧树脂）、碳化、表面改性等步骤而成。其中，表面改性是提升碳毡板性能的关键：通过镀镍、镀铜等金属涂层处理，可显著提升碳毡板的导电性；通过涂覆聚四氟乙烯（PTFE）与硫酸钡复合涂层，可改善碳毡板的耐腐蚀性与铅沉积能力。此外，部分研究通过在碳毡板中添加活性炭、石墨烯等纳米材料，进一步提升其比表面积与电容性能，增强电池的倍率放电能力。

（三）应用挑战与产业化前景

目前碳毡板在铅酸电池中的应用仍处于探索阶段，面临以下挑战：一是界面相容性问题，碳毡板与电解液的界面接触电阻较大，导致电池的充放电效率低于传统铅板电极；二是循环寿命不足，在长期充放电过程中，碳毡板的孔隙易被铅 dendrite（枝晶）堵塞，导致电池容量快速衰减；三是成本问题，碳毡板的制备成本高于传统铅板，影响其商业化推广。

尽管面临挑战，碳毡板的产业化前景依然广阔。随着技术的不断进步，以下措施有望推动碳毡板的规模化应用：一是界面改性技术优化，开发新型界面涂层材料，降低碳毡板与电解液的接触电阻；二是结构设计创新，设计多孔梯度结构的碳毡板，抑制铅枝晶的生长；三是成本控制，通过规模化生产、原材料回收利用等方式，降低碳毡板的制备成本。预计未来 5-10 年，碳毡板在轻型铅酸电池（如电动自行车电池）领域将实现小规模应用，并逐步向储能电站等领域拓展。

四、提升锂离子电池能量密度的多微孔碳纤维材料

（一）锂离子电池能量密度的瓶颈与多微孔碳纤维的作用

锂离子电池的能量密度是决定电动汽车、便携式电子设备续航能力的关键指标。目前商业化锂离子电池的能量密度已达到 200-300Wh/kg，但仍无法满足高端应用需求（如电动汽车续航里程突破 1000km）。能量密度的提升主要受限于电极材料的比容量与电池的体积利用率 —— 传统电极材料（如石墨负极、三元正极）的比容量已接近理论极限，而电极的致密化设计又易导致离子传输效率下降。多微孔碳纤维材料通过独特的多孔结构设计，能够在提升电极比表面积的同时，改善离子传输通道，为锂离子电池能量密度的突破提供新路径。

（二）多微孔碳纤维的结构特性与制备技术

多微孔碳纤维具有三维连通的多孔结构，孔径通常分布在 10-100nm 之间，孔隙率可达 80% 以上。这种结构特性使其具备两大优势：一是高比表面积，为锂离子的脱嵌提供充足的活性位点，提升电极的比容量；二是优异的离子传输性能，多孔结构形成连续的离子通道，降低离子传输阻力，提升电池的倍率性能。

多微孔碳纤维的制备主要采用模板法、静电纺丝法与相分离法。模板法以多孔氧化铝、二氧化硅为模板，将碳纤维前驱体（如 PAN、沥青）填充至模板孔隙中，经碳化与模板去除后形成多微孔结构；静电纺丝法通过高压电场使前驱体溶液形成纳米纤维，经碳化后形成多孔纤维膜，该方法具有制备过程简单、孔径易调控等优势；相分离法通过调控前驱体溶液的相分离过程，形成多孔结构，再经碳化处理得到多微孔碳纤维。此外，部分研究通过在碳纤维中掺杂硅、锡等合金材料，进一步提升电极的比容量（硅基电极的理论比容量可达 4200mAh/g，远高于石墨的 372mAh/g）。

（三）应用现状与性能优化方向

目前多微孔碳纤维材料主要应用于锂离子电池的负极与正极载体。在负极方面，多微孔碳纤维基负极材料的比容量可达 1000-2000mAh/g，循环寿命超过 1000 次，已接近商业化应用水平；在正极方面，多微孔碳纤维作为正极载体，可改善正极材料（如磷酸铁锂、三元材料）的分散性与导电性，提升正极的比容量与循环稳定性。

未来性能优化可聚焦三个方向：一是结构精准调控，通过优化制备工艺，实现多微孔碳纤维孔径、孔隙率与孔道结构的精准控制，进一步平衡比容量与离子传输效率；二是复合改性，将多微孔碳纤维与高比容量材料（如硅、硫）复合，提升电极的整体比容量；三是界面稳定性提升，通过涂覆固态电解质、设计人工 SEI 膜等方式，改善多微孔碳纤维与电解液的界面稳定性，减少副反应的发生，延长电池寿命。

五、预氧毡 + 二氧化硅气凝胶复合材料的性能与应用

（一）复合材料的协同效应与性能优势

预氧毡是 PAN 基碳纤维的前驱体材料，具有良好的耐热性（长期使用温度可达 200-300℃）、柔韧性与多孔结构；二氧化硅气凝胶则是一种新型多孔材料，具有极低的密度（0.003-0.1g/cm³）、高孔隙率（80%-99.8%）与优异的隔热性能（导热系数低至 0.012W/(m・K)）。将预氧毡与二氧化硅气凝胶复合，可实现两者性能的协同互补：预氧毡为复合材料提供良好的力学支撑与结构稳定性，二氧化硅气凝胶则赋予复合材料优异的隔热、保温性能，同时保留预氧毡的多孔结构特性。

（二）复合材料的制备工艺与性能调控

预氧毡 + 二氧化硅气凝胶复合材料的制备主要采用溶胶 - 凝胶法与浸渍法。溶胶 - 凝胶法通过将硅源（如正硅酸乙酯）与溶剂、催化剂混合形成溶胶，将预氧毡浸渍于溶胶中，待溶胶凝胶化后，通过超临界干燥或冷冻干燥去除凝胶中的溶剂，形成二氧化硅气凝胶，最终得到复合材料；浸渍法则直接将二氧化硅气凝胶颗粒与粘结剂混合形成浆料，涂覆于预氧毡表面或填充至预氧毡孔隙中，经干燥固化后形成复合材料。

复合材料的性能调控主要通过以下方式实现：一是预氧毡结构调控，通过调整预氧毡的厚度、孔隙率，控制二氧化硅气凝胶的负载量与分布均匀性；二是二氧化硅气凝胶性能优化，通过掺杂金属氧化物（如氧化铝、氧化锆）、表面改性（如疏水改性），提升气凝胶的机械强度与耐水性；三是复合工艺优化，通过调整浸渍时间、干燥温度等参数，减少复合材料内部的孔隙与缺陷，提升其结构完整性。

（三）应用领域与发展前景

预氧毡 + 二氧化硅气凝胶复合材料凭借其优异的隔热性能、力学性能与耐温性能，在新能源、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。在新能源领域，该复合材料可作为锂离子电池、燃料电池的隔热材料，减少电池在充放电过程中的热量散失，提升电池的温度稳定性；在航空航天领域，可作为航天器的隔热层，抵御极端温度环境；在建筑领域，可作为新型保温材料，替代传统保温材料，提升建筑的节能效果。

目前该复合材料面临的主要挑战是成本较高（二氧化硅气凝胶的制备成本较高）与机械强度不足（气凝胶的脆性较大，易导致复合材料开裂）。未来发展方向可聚焦：一是低成本制备技术开发，优化气凝胶的制备工艺，降低生产成本；二是复合结构设计创新，通过层状复合、纤维增强等方式，提升复合材料的机械强度；三是功能拓展，通过掺杂、表面改性等方式，赋予复合材料抗菌、防火等额外功能，拓展其应用领域。

结语

新型碳纤维功能材料凭借其独特的结构与性能优势，在能源存储与转化领域展现出巨大的应用潜力。从燃料电池的气态扩散层到锂离子电池的多微孔负极材料，从液流电池的碳毡电极到铅酸电池的碳毡板替代材料，再到预氧毡与二氧化硅气凝胶的复合应用，碳纤维功能材料正逐步突破传统材料的性能瓶颈，推动能源设备向高效、绿色、轻量化方向发展。

然而，当前碳纤维功能材料仍面临成本较高、性能一致性不足、长期耐久性有待提升等问题，需要行业从业者在材料制备工艺、结构设计、复合改性等方面持续创新。未来，随着技术的不断进步与产业化规模的扩大，碳纤维功能材料有望在能源领域实现更广泛的应用，为全球能源转型与“双碳” 目标的实现提供有力支撑。

参考资料：

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2、科技日报。钒电池研究获得重要突破！商业应用指日可待 [EB/OL]. 2021-06-09.

3、Xie J, Lu J, et al. Fluorine-Doped Micropore-Covered Mesoporous Carbon Nanofibers for Long-Lasting Anode-Free Sodium Metal Batteries[J]. Nature Communications, 2025.

4、GB/T 20042.1-2017. 质子交换膜燃料电池 第一部分 术语 [S].