碳纤维毡（Carbon Fiber Felt, CFF）是一种由碳纤维经特殊工艺制成的多孔、轻质、高比表面积的柔性材料。近年来，随着新能源储能技术（如超级电容器、锂离子电池、燃料电池等）的快速发展，碳纤维毡因其优异的导电性、化学稳定性和结构可调性，成为极具潜力的电极和功能材料。以下从导电性能、改性技术、应用场景及挑战等方面展开分析。

一、碳纤维毡的导电性能基础

材料特性

碳纤维本身具有高导电性（电阻率约 10 −5 ∼10 −3 Ω⋅cm），源于其石墨化微晶结构中的sp²杂化碳原子，形成连续的电子传输路径。

碳纤维毡通过三维网络结构将纤维随机堆叠，导电性能受纤维取向、孔隙率和界面接触电阻影响显著。高孔隙率（通常＞90%）可能降低体导电性，但有利于电解液渗透和离子传输。

导电性能影响因素

原材料与制备工艺：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维导电性优于沥青基；高温石墨化处理可提升结晶度，降低电阻率。

结构设计：纤维直径、毡体密度及表面粗糙度直接影响导电网络的有效性。例如，细纤维（直径＜10 μm）可增加接触点，降低接触电阻。

环境适应性：在高温、腐蚀性电解液或机械应力下，导电稳定性是核心挑战。

二、导电性能优化策略

表面改性技术

化学气相沉积（CVD）：在纤维表面生长石墨烯或碳纳米管（CNTs），形成分级导电网络，可将电导率提升2-3个数量级。

金属镀层：通过电镀或化学镀在纤维表面覆盖Ag、Cu等金属层，降低界面电阻（例如镀银碳纤维毡电阻率可降至 10 −6 Ω⋅cm）。

掺杂改性：引入氮、硼等杂原子或导电聚合物（如聚苯胺），增强表面活性位点与电子迁移率。

复合结构设计

与石墨烯、MXene等二维材料复合，构建“纤维-片层”互穿结构，提升电荷存储与传输效率。

通过3D打印技术定制孔隙分布，优化导电通路与电解液浸润性的平衡。

三、在新能源储能设备中的应用

超级电容器

优势：碳纤维毡的高比表面积（500-1500 m²/g）和快速电子/离子传输能力，适合作为双电层电容器（EDLC）电极，实现高功率密度（＞10 kW/kg）。

案例：改性后的CFF基电极在1 A/g电流密度下比电容可达200 F/g，循环稳定性＞10万次。

锂离子/锂硫电池

集流体替代：传统铜/铝箔重量占比高（15-20%），而轻质碳纤维毡可降低电池重量，同时作为导电骨架抑制锂枝晶生长。

硫载体材料：用于锂硫电池正极，多孔结构可物理限域多硫化物，缓解“穿梭效应”。

燃料电池与电解水

气体扩散层（GDL）：碳纤维毡的疏水性和导电性优化，可提升质子交换膜燃料电池（PEMFC）的氧还原反应效率。

析氢/析氧电极：通过负载Pt、NiFe催化剂，实现高效水分解。

四、挑战与未来方向

技术瓶颈

成本与规模化：高端碳纤维及改性工艺成本较高，需开发低成本原丝（如木质素基）和连续化生产技术。

界面稳定性：长期循环中金属镀层易脱落，需研究自修复涂层或全碳复合体系。

性能权衡：高导电性与高比表面积的矛盾（如过度石墨化会降低表面活性）。

未来趋势

智能集成设计：将储能、传感、柔性功能集成于一体，例如可穿戴设备的自供电系统。

绿色制造：探索生物质碳源和低碳工艺，推动碳中和目标下的材料革新。

碳纤维毡凭借其独特的导电性和结构可设计性，在新能源储能领域展现出巨大潜力。通过材料改性和结构创新，未来有望突破现有技术瓶颈，成为高性能、多功能储能设备的核心材料。然而，实现商业化需进一步优化成本、稳定性和规模化生产，同时结合多学科交叉研究，推动其在更广泛能源场景中的应用。