實(shí)驗(yàn)所用帶聚合物上漿劑的原漿聚丙烯腈基碳纖維（HexcelIM212k中模量），在沉積前采用丙酮回流處理8h，并反復(fù)沖洗以去除上漿劑。處理后的纖維在80°C烘箱中干燥12h。采用雙電極電泳沉積（EPD）工藝，將組裝好的納微結(jié)構(gòu)涂覆于碳纖維表面：以碳纖維為工作電極，兩側(cè)設(shè)置不銹鋼對電極（圖1b）。電極間距設(shè)定為2cm，以縮短顆粒遷移距離。本體系中加入的PVP與羧基功能化CNT，無需額外添加表面活性劑即可調(diào)控顆粒電荷。對電極上未觀察到沉積現(xiàn)象，表明帶負(fù)電的LFPPVPCNT顆粒可有效遷移。去除上漿劑后，碳纖維束用夾具框架裝置輕微繃緊固定，以保證沉積過程中電學(xué)接觸穩(wěn)定一致（見圖S2）。將纖維置于不銹鋼電極中間，間距固定為2cm，以確保電場均勻。帶負(fù)電的LFPCNTPVP顆粒天然適用于陽極電泳沉積，此時(shí)碳纖維作為陽極，無需添加表面活性劑即可形成均勻、保形的涂層。這一現(xiàn)象與PVP吸附及CNT表面羧基所引入的負(fù)電荷特性一致，促使顆粒向碳纖維電極遷移。該陽極沉積模式與本研究觀察到的沉積機(jī)制相符，也解釋了不銹鋼對電極上無涂層的原因。表S1總結(jié)了陽極與陰極電泳沉積的主要區(qū)別，包括顆粒帶電方式、穩(wěn)定劑、沉積機(jī)理以及與結(jié)構(gòu)正極制備相關(guān)的基底相互作用。沉積采用40–80V直流電壓，沉積時(shí)間4–8min。涂覆完成后，纖維在60°C真空烘箱中干燥16h，隨后置于真空干燥器中保存。表1匯總了具有不同形貌特征的各類正極的組分與工藝參數(shù)。對于大粒徑LFP組，直接使用原粉，其中值粒徑為1.3μm（D50，廠家數(shù)據(jù)）。對于小粒徑LFP組，先將原LFP粉末分散于DMF溶劑中，再通過孔徑1.0μm的尼龍濾膜真空過濾。該工藝可將大于1μm的顆粒截留在濾膜上，而收集到亞微米級組分（100nm–1μm）。采用環(huán)氧樹脂灌注料（INF114）及配套INF211固化劑（PROSET，美國）作為基體，制備復(fù)合材料層壓板。使用所制備的碳纖維正極，通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝制備復(fù)合材料板材。---你如果需要，我可以把剩下的結(jié)果與討論、結(jié)論、圖表說明也一次性翻完，保持通篇風(fēng)格統(tǒng)一。

采用CR2032型扣式電池對碳纖維復(fù)合材料表面LFP?CNT?PVP涂層的電化學(xué)性能進(jìn)行表征，以金屬鋰片作為對電極。電解液為1.0M六氟磷酸鋰（LiPF?）溶于體積比1:1的碳酸乙烯酯與碳酸二乙酯混合溶劑中（Sigma?Aldrich公司）。將正極與負(fù)極組裝于鋁制CR2032電池殼內(nèi)，殼內(nèi)配有鋁制墊片與彈簧墊片。采用Celgard2500聚丙烯單層微孔膜作為隔膜。使用LandT公司扣式電池封口機(jī)在2噸壓力下進(jìn)行封口。

利用Bio?logicSP?200電化學(xué)工作站，在2.0～4.5V（vs.Li?/Li）電壓區(qū)間內(nèi)以不同倍率進(jìn)行恒流充放電循環(huán)測試。循環(huán)伏安測試（CV）在0.1mV/s掃描速率、2.0～4.5V（vs.Li?/Li）范圍內(nèi)進(jìn)行（BioLogicSP200）。采用Interface1010E電化學(xué)工作站（GAMRY公司）進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試，頻率范圍為10000Hz～0.01Hz，交流振幅為10mV。使用GAMRYEchemAnalyst軟件對阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

采用德國布魯克公司D8AdvanceECO型X射線衍射儀對樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，使用CuKα輻射（λ=1.5406?），工作電壓40kV，電流25mA，在2θ=10°～70°范圍內(nèi)采集XRD圖譜。采用i?RamanPlus532nm激光拉曼光譜儀（B&WTek，現(xiàn)隸屬于瑞士萬通）進(jìn)行拉曼光譜分析，激光波長532nm。使用SA?9601單站式比表面積分析儀對不同正極樣品進(jìn)行BET比表面積測試。采用TA?Q50型熱重分析儀進(jìn)行熱重（TG）分析，測試溫度范圍25～1000°C，升溫速率10°C/min，氣氛為氮?dú)狻?/span>

參照ASTMD7264/D7264M與ASTMD2344/D2344M標(biāo)準(zhǔn)，分別通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與短梁法試驗(yàn)對碳纖維正極復(fù)合材料層壓板的力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。按照標(biāo)準(zhǔn)將層壓板裁切為矩形試樣，標(biāo)稱厚度3.6mm。每種工藝至少測試5個(gè)試樣，彎曲試驗(yàn)與層間剪切強(qiáng)度（ILSS）試驗(yàn)的跨厚比分別為32:1和4:1。試驗(yàn)在UNITEDSMART1萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，位移控制模式，橫梁速率1mm/min。記錄載荷–位移曲線，并按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算彎曲強(qiáng)度、彎曲模量與層間剪切強(qiáng)度。

每種工藝至少對3組獨(dú)立制備的樣品進(jìn)行電化學(xué)與力學(xué)表征，文中所示數(shù)據(jù)為多次測試平均值，誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3.結(jié)論

本研究將具有系統(tǒng)調(diào)控形貌特征的LFP基正極集成于碳纖維上，闡明了粒徑、涂層厚度、孔隙特征及CNT含量如何共同決定結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料的電化學(xué)與力學(xué)性能。

優(yōu)化后的正極由小粒徑LFP顆粒、薄型涂層、3 wt%羧基功能化CNT及PVP粘結(jié)劑組成，表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能：在0.1C倍率下比容量達(dá)134 mAh/g，200次循環(huán)后容量保持率為96%。

形貌調(diào)控結(jié)果揭示了清晰的結(jié)構(gòu)–性能關(guān)系。具有小粒徑LFP與薄涂層的Small-LFP-Thin正極，能夠促進(jìn)更快的鋰離子擴(kuò)散與電子傳輸，從而提升活性材料利用率與循環(huán)穩(wěn)定性。與小粒徑樣品相比，大粒徑LFP制備的正極電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著升高，比容量降低約31%。BET分析證實(shí)，大粒徑體系比表面積更小，限制了電解液浸潤并阻礙界面形成。

對于小粒徑LFP正極，增加涂層厚度可提高活性物質(zhì)載量，從而提升面容量，但也會(huì)延長離子傳輸路徑，導(dǎo)致極化程度略有升高、電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，比容量降低約22%。

對含優(yōu)化Small-LFP-Thin正極的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行力學(xué)測試表明：其彎曲強(qiáng)度更高、層間剪切強(qiáng)度（ILSS）提升、損傷起始延遲，裂紋擴(kuò)展路徑更為曲折，這些特征均表明界面結(jié)合增強(qiáng)、載荷傳遞效率提高以及由形貌驅(qū)動(dòng)的界面增韌效應(yīng)。

斷口分析顯示，均勻的CNT網(wǎng)絡(luò)與結(jié)合良好的涂層使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并呈現(xiàn)混合模式失效，證明沉積誘導(dǎo)的形貌同時(shí)決定了結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料的電化學(xué)穩(wěn)定性與力學(xué)增強(qiáng)效果。

在2C倍率下循環(huán)200次后的SEM表征進(jìn)一步證實(shí)，涂層完整性、CNT網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性及界面區(qū)域均得到良好保持，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)–力學(xué)耐久性。上述性能提升歸因于優(yōu)化后的Small-LFP-Thin結(jié)構(gòu)具有更短的傳輸路徑與穩(wěn)定的SEI膜形成。

盡管本研究重點(diǎn)在于控制電泳沉積法制備碳纖維正極的形貌與結(jié)構(gòu)，并揭示相應(yīng)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料解耦的電化學(xué)與力學(xué)響應(yīng)，但其目標(biāo)是建立基于機(jī)理框架的材料與結(jié)構(gòu)級設(shè)計(jì)原則——將正極形貌、界面化學(xué)、電荷傳輸行為與結(jié)構(gòu)性能相關(guān)聯(lián)，為碳纖維基正極的設(shè)計(jì)提供前提。

上述研究結(jié)果表明，形貌導(dǎo)向的電泳沉積涂層是實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電池規(guī)?；苽涞囊粭l極具前景的技術(shù)路線。