如今，温室气体减排已成为人们关注的焦点，因此，开发先进的储能技术已成为一个重要的研究领域。在正在研究的储能应用材料中，碳纤维是一种特别有前途的候选材料。碳纤维传统上用于航空航天、汽车和运动器材行业，这类材料可同时作为结构组件和储能介质。

因此，传统的重型电池可以被碳纤维电池取代或集成到碳纤维电池中，使其同时发挥结构和储能作用。例如，它们可以被集成到汽车后备箱或飞机机身中，从而大大减轻重量，提高设计效率。碳纤维可以涂覆成各种形状，并与其他活性材料集成，这进一步增强了其在电池设计中的多功能性。

图1展示了碳纤维电池的总体结构。它由碳纤维增强聚合物复合材料组成，其中碳纤维既是阳极（负极），又是阴极（正极）。独立的夹层或玻璃纤维起分隔作用，确保电极不会短路。整个结构嵌入固体电解质中，根据具体设计和性能要求，固体电解质可以是聚电解质、聚合物电解质或陶瓷电解质。在这里，固体电解质可以有效地起到分离器的作用。这些系统利用了固体电解质的独特特性，不仅促进了阳极和阴极之间的离子传输，还起到了物理屏障的作用。固体电解质的双重功能提高了电池的整体安全性和性能，使其成为开发先进储能解决方案的一个极具吸引力的选择。

图1. 创新型碳纤维电池结构示意图。碳纤维集成到增强聚合物复合材料中，可同时充当阳极和阴极

电极极化是影响碳纤维电池性能的关键因素，会影响充放电速率、能效和寿命。电极极化受内阻、电极表面特性和电解液成分的影响。

在碳纤维系统中，纤维结构、孔隙率和涂层等因素会影响离子转移和反应动力学。此外，电解质的选择，尤其是固态电解质或聚合物电解质的选择，也会改变极化水平。减缓极化需要优化电极设计，选择能增强离子传导性的电解质，从而实现更高效的能量存储和更长的电池寿命。科学界尤其关注如何利用涂覆碳纤维的高比表面积、可调孔隙率和出色的电化学稳定性来提高电池性能。碳纤维电极最显著的优势之一是可以提高充放电速率、增加能量密度和延长电池寿命。此外，碳纤维固有的柔韧性和耐用性为开发柔性和可穿戴储能设备提供了新的可能性，而消费电子和生物医学应用对这种设备的需求日益增长。为此，碳纤维被活化为阴极或涂覆有LiFePO4、LiCoO2、MoS2、TiO2、金属有机框架 (MOF)、Mxenes、石墨烯或碳纳米管 (CNT)。

然而，尽管有这些优点，将碳纤维集成到电池系统中仍面临着一些挑战。关键问题包括优化纤维-基质界面以确保高效的电子和离子传输，防止可能影响电池性能的降解机制，以及大规模生产制造工艺的可扩展性。要应对这些挑战，就必须深入了解碳纤维的微观结构、其电化学行为和整个电池结构之间的相互作用。

然而，目前还没有研究对碳纤维电池的发展趋势和未来前景进行文献计量分析。 

因此，西班牙阿维拉天主教大学与希腊马其顿大学的研究人员，通过对详细的文献进行计量分析，追溯该研究领域在过去十年中的演变，同时突出关键趋势、新兴技术和重大挑战。此外，还通过讨论这一快速发展的研究领域的未来发展方向和创新机遇，探讨了碳纤维在能源存储领域的变革潜力。

从这项研究中获得的信息可以为储能领域多功能材料的设计和应用取得重大突破铺平道路，最终支持全球向更清洁、更可持续的能源未来过渡。

通过文献检索策略、数据库选择、检索查询、文献筛选、纳入标准、数据提取、文档处理等步骤，系统地收集和分析与碳纤维电池相关的科学文献，从而揭示了这一领域的研究趋势、挑战和未来的发展方向。

通过审查2013年至2023年发表的840篇文献，年度发表文献和引用，文献来源分析，发表文献数量最多的机构、国家，和最具影响力的文献。

根据这些成果，可以发现科学界主要关注三个领域。

首先，研究最多的是锂离子电池阳极的开发，因为这一领域面临着巨大的全球需求，而且与阴极相比面临着更大的挑战。阳极面临的问题包括：充电过程中形成枝晶；充放电过程中锂的体积发生显著变化，导致裂纹形成；以及与电解液发生潜在的副反应，产生可降低电池性能和容量的产物。 

其次，新一代碳纤维基阴极的开发涉及用磷酸铁锂、钴酸锂或其衍生物涂层对其进行活化。此外，由于钴的提取成本高、难度大，近期的工作重点是开发无钴阴极。这些无钴替代品为大规模生产提供了更具可持续性的解决方案，同时还能保持可比的性能指标。 

最后一个重点领域是固体电解质的开发，固体电解质必须同时具有高离子电导率和较高的机械性能，以保证复合材料的多功能性。 然而，事实证明这两种特性往往相互冲突。 

图 9 所示的关键词共现网络显示了三个主要领域。具体来说，最突出的中心词群集中在 "碳纤维 "上，与 "锂离子电池 "和 "阳极 "密切相关。这个中心集群表明，在所提供的研究或上下文中，这些术语之间有着密切的关系。围绕着这一主要组群的是另外两个重要领域：一个领域包括 "钒"、"液流电池 "和 "储能 "等术语，表明了对替代电池技术和储能解决方案的关注。在这里，以钒为基础的储能技术，尤其是钒氧化还原液流电池，因其能量容量大、循环寿命长，已显示出大规模应用的前景。一般来说，液流电池为可再生能源整合提供了可扩展的解决方案，因为它们可以独立扩展功率和能量容量，是电网级储能的理想选择。另一个领域包括 "固体电解质"、"氧化还原反应 "和 "电化学性能 "等术语，指向先进电池材料及其性能的研究。图 10 显示了热门国家、关键词和来源之间的关系。

图9. 关键词加共现网络

图10.  国家、关键词和来源关系

此外，图 11 显示了最热门的主题以及这些年来根据关键字加上的进展情况。结果显示，目前碳纤维电池的开发重点是利用钠离子和优化的结构设计制造低成本电池。此外，我们还可以看到扫描电子显微镜在这些设备开发过程中的重要性，因为它是掌握其操作和优化的关键设备。

图11.  基于关键词的趋势主题

如图 12 所示，在研究该专题的概念结构图时，产生了四个主要维度。根据研究结果，这些维度分别涉及 (i) 碳纤维、阳极和锂；(ii) 碳纤维、阳极和金属离子；(iii) 碳纤维、锂离子电池和阳极；以及 (iv) 碳纤维、锂离子电池和电极。从这些方面可以推断，碳纤维在先进电池技术的发展中发挥着核心作用。碳纤维与阳极、锂电池和锂离子电池的反复关联凸显了碳纤维在提高这些组件的性能和效率方面的重要性。此外，在尺寸中加入金属离子和电极也表明，应重点优化电池中使用的材料和结构，以提高其整体功能和使用寿命。

图12. 概念结构图

图 13 所示的专题主题图展示了出现的六个主题。这些主题分为基本主题、新兴或衰退主题、利基主题和机动主题。出现的两个基本主题涉及 (i) 锂化合物、电极和锂，以及 (ii) 电化学电极、氧化还原反应和循环伏安法。出现了一个新兴或衰退主题，与(i) 能源效率、液流电池和钒有关。确定了两个利基主题，分别与(i)结构电池、多功能复合材料和聚电解质以及(ii)锌、氧和电解还原有关。电机主题与 (i) 碳纤维、阳极和锂离子电池有关。根据这些成果，可以注意到碳纤维电池的开发是一个核心重点，特别是在提高锂离子电池的性能和效率方面。对电化学电极和氧化还原反应的重视突出了了解和优化这些电池内部基本过程的重要性。此外，对结构电池和多功能复合材料的探索表明，将多种功能（尤其是结构和储能功能）整合到电池材料中是一种趋势，这将带来更多功能和更高效的储能解决方案。

图13. 专题图

图 14 分五个时间段展示了该专题的主题演变。第一个时间段（2013-2015 年）显示，重点主要放在 "阳极"、"碳纤维"、"储能 "和 "机械性能 "上。这些主题表明，早期的重点是了解和改进储能系统的基本组件和性能。进入第二个时间段（2016-2017 年）后，主题发展到 "阴极"、"碳纤维 "和 "能效"，反映了向优化阳极和阴极材料以及提高储能设备整体能效的转变。在第三个时间段（2018-2019 年），重点扩展到 "碳纤维"、"阳极 "和 "复合材料"，表明在将碳纤维融入复合材料以提高电池性能和耐用性方面取得了进展。第四个时间段（2020-2021 年）继续强调 "碳纤维"、"阳极 "和 "储能"，表明正在研究如何改进这些关键部件。此外，"结构电池 "和 "碳纳米纤维 "也成为重要主题，突出了电池设计和材料方面的创新。最后，在第五个时间段（2022-2023 年），主题包括 "碳纤维"、"阳极 "和 "锂离子电池"，表明将碳纤维集成到锂离子电池中以提高其性能已成为成熟的重点。能效 "和 "结构电池 "作为贯穿各阶段的主题，强调了这些领域在当前开发先进能源存储解决方案中的重要性。

图14. 专题的演变

考虑到本文的文献计量分析，图 15 展示了基于碳纤维电池的储能技术的主要趋势和未来前景。文献计量分析强调了三个主要领域：锂离子电池碳纤维基阳极的开发、下一代碳纤维基阴极的进步以及固体电解质的进展。每个领域都面临着重大挑战，例如阳极中的枝晶形成和体积膨胀，以及由于与钴相关的高成本和提取困难而对阴极无钴替代品的迫切需求。固体电解质的研究重点是平衡高离子导电性和强机械性能，以确保这些复合材料的多功能性。此外，凝胶型电解质由于具有半固体性质，有助于减少电极极化，并在高充放电速率下保持稳定的性能，因此非常适合要求苛刻的储能应用。此外，从研究贡献的地理分布来看，虽然国际合作仍然有限，但领先国家的研究成果具有很高的引用影响力。这表明，虽然一些国家主导了高影响力研究，但仍需加强全球合作，以加快该领域的进展。

图15. 基于碳纤维电池的储能技术的主要趋势和未来展望

碳纤维电池有望在追求更可持续的能源解决方案方面发挥变革性作用。碳纤维具有将结构功能与能量存储相结合的独特能力，不仅能显著减轻重量、提高效率，还为各行各业的创新开辟了新途径。 

通过将碳纤维集成到电池系统中，特别是作为阳极，可以更有效地解决电池性能方面的许多关键挑战。近期的研究主要集中在开发碳纤维电池的三个主要领域。 研究最多的领域是锂离子电池阳极的开发，这主要是由于全球对锂离子电池阳极的需求量很大，而这些阳极又面临着巨大的挑战，如充电过程中形成枝晶、显著的体积变化导致裂纹的形成，以及与电解液的副反应会降低电池性能。

对研究成果的分析表明，中国、美国、瑞典、韩国和澳大利亚在这一领域处于领先地位，其中中国在论文发表量和国内合作方面都遥遥领先。尽管如此，国际合作仍然有限，这凸显了加强全球合作的必要性。

值得注意的是，以色列、澳大利亚和丹麦等国的研究成果被引用的次数较多，这反映出这些国家的研究质量高、影响力大。

碳纤维电池仍处于发展阶段，需要进行大量研究才能充分发挥其潜力。未来的研究方向应优先考虑优化纤维-基质界面以增强电子和离子传输、扩大制造工艺以实现更广泛的应用，以及开发标准化协议以确保一致性和可靠性。

加强国际合作对于加快技术进步和应对现有挑战至关重要。随着该领域的成熟，碳纤维电池有望推动可持续能源系统的发展，并为实现去碳化的未来做出贡献。

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