一輛電動汽車,無論是日產(chǎn)Leaf，特斯拉ModelS還是BMWi3，基本上都包含兩個主要組成部分：電氣部件（電池和電機）和結(jié)構(gòu)部件（汽車車身）。電池的用途是存儲和分配電能。而結(jié)構(gòu)功能通常僅限于保護電池本身。同時，車身提供結(jié)構(gòu)完整性，但不存儲電能。然而，在某些情況下，可以將這兩個部件組合成單一材料，也就是可以執(zhí)行結(jié)構(gòu)和能量存儲功能的材料。

顧名思義，這種多功能結(jié)構(gòu)材料同時具有兩種或多種通常必須單獨處理的功能。例如，結(jié)構(gòu)角色可能與光學(xué)，電學(xué)，磁學(xué)或熱學(xué)性質(zhì)相結(jié)合。在某些情況下，整個復(fù)雜裝置可以在主要結(jié)構(gòu)材料內(nèi)或從主要結(jié)構(gòu)材料構(gòu)建。

多功能性意味著這些材料可用于許多不同領(lǐng)域，從儲能到包裝。節(jié)省重量和體積的潛力使它們對移動電子設(shè)備，飛機和電動或混合動力車輛尤其具有吸引力。

隨著電動車輛的日益普及，將結(jié)構(gòu)性能與能量存儲相結(jié)合的多功能裝置特別受關(guān)注。

從廣義上講，創(chuàng)建這些設(shè)備有兩種方法。一種策略是通過將常規(guī)的能量存儲裝置（例如電池）結(jié)合到主要結(jié)構(gòu)材料中來節(jié)省體積，從而產(chǎn)生多功能結(jié)構(gòu)。

第二種，更復(fù)雜，但也更具挑戰(zhàn)性的方法是確保多功能設(shè)備的每個組件可以執(zhí)行多個角色，并且本身由多功能材料組成，

世界各地的研究人員都在開發(fā)基于不同能量儲存原理的多功能電能儲存材料和電化學(xué)裝置。一些研究人員正在通過電化學(xué)反應(yīng)（如電池和燃料電池）這樣做，而其他研究人員則專注于電荷的靜電積累（如電容器和超級電容器）。最終，在這個領(lǐng)域的工作可能導(dǎo)致全電動飛機，信用卡大小的移動電話，這些材料的產(chǎn)生甚至將宣布“單功能”電池的消亡。

通常，單一的多功能材料不能實現(xiàn)其替代的每種單官能材料的全部性能。但是，由于它取代了兩種材料或設(shè)備，因此其性能僅需要足夠好以降低整體系統(tǒng)重量。為了理解什么是“足夠好”，定義效率指數(shù)可能會有所幫助。只要結(jié)構(gòu)和電效率的總和大于1（假設(shè)單功能材料中的每個單獨的性質(zhì)具有等于1的效率），則可以節(jié)省凈重和體積。

另一個重要的考慮因素是儲能設(shè)備的整體性能。這里的關(guān)鍵因素是能量密度，它可以測量設(shè)備中可以存儲多少能量，以及能量密度，它決定了能量傳輸?shù)乃俣?。例如，電池和燃料電池的特征在于高能量密度但低功率密度，而電容器提供有限的能量密度和高功率密度?br/>
超級電容器介于電池和電容器之間的能量和功率密度之間，它的快速充電/放電速率與電動汽車特別相關(guān)。典型的超級電容器由電解質(zhì)，隔板和由相同材料制成的兩個高表面積電極組成。在添加了次要的，結(jié)構(gòu)的，功能之后，所有這些組件仍然必須按照它們原始的單功能形式進行。例如，電極的表面積非常重要，因為存儲的電能基于在施加電壓之后在電極/電解質(zhì)界面處分離雙電層中的帶電物質(zhì)。

盡管存在這些限制要求，但超級電容器對于多功能材料開發(fā)者來說是有吸引力，原因是它們的電極在充電或放電時不會改變尺寸，并且材料可以持續(xù)很長時間（存活多達一百萬次充電循環(huán)）。相反，電池系統(tǒng)提供更高的能量密度，但是當(dāng)電流通過它們時，它們的電極通常會改變形狀，從而導(dǎo)致應(yīng)力和退化。超級電容器的另一個吸引力是它們的分層結(jié)構(gòu)，它非常類似于傳統(tǒng)的復(fù)合材料層壓板。

傳統(tǒng)的超級電容器和復(fù)合材料之間也存在其他相似之處。例如，盡管利用的形式不同，但兩者都使用碳。傳統(tǒng)的超級電容器使用碳作為電極材料，因為它具有高表面積并且導(dǎo)電良好;相反，復(fù)合材料中的碳由于其優(yōu)異的機械性能而通常用作增強材料。因此，為了實現(xiàn)多功能性，必須組合這兩組特性，這為實驗修改碳提供了一系列可能性。

聚合物是能量存儲裝置和復(fù)合材料共有的形式。在聚合物的情況下，功能重疊不那么簡單。在復(fù)合材料中，聚合物必須是剛性的，因為它們必須傳遞高剪切載荷;在電化學(xué)裝置中，與電解質(zhì)和溶劑組合，聚合物必須足夠移動性以允許離子傳導(dǎo)。實現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和良好機械性能的所需組合是具有挑戰(zhàn)性的，因為固有材料特性彼此沖突。

圍繞這一沖突的一種有希望的解決方法是設(shè)計一種具有兩個雙連續(xù)相互連接相的材料：一個負責(zé)結(jié)構(gòu)性能，另一個負責(zé)提供離子導(dǎo)電性。該途徑不僅在結(jié)構(gòu)電解質(zhì)的制備中顯示出潛力，而且在電極顯影中也顯示出潛力。在后者中，可以通過用高度多孔的碳材料如碳氣凝膠浸漬未改性的碳（例如碳纖維）來實現(xiàn)雙連續(xù)結(jié)構(gòu)。

這些無定形碳質(zhì)材料由互連的納米尺寸顆粒的3D網(wǎng)絡(luò)制成，具有低密度，大表面積和高導(dǎo)電性。整合結(jié)構(gòu)碳纖維和碳氣凝膠的性質(zhì)可以形成具有高儲能能力（由于其高表面積），而且還可以讓增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的電極材料出現(xiàn)成為可能。

盡管在設(shè)計和開發(fā)單個多功能材料方面取得了很大進展，但這只是挑戰(zhàn)的第一部分。在它們表現(xiàn)良好之前，必須將這些材料整合到結(jié)合多功能材料的有效系統(tǒng)中。這個過程自然會產(chǎn)生進一步的多功能需求，例如，需要多功能集電器，分離器或封裝材料。

此外，多功能材料的行為和使用并不總是適合復(fù)合材料或能量存儲裝置的傳統(tǒng)觀點。有時，即使是兩個材料的術(shù)語也可能不一致。例如，標準符號σ是表示應(yīng)力還是電導(dǎo)率？需要新的跨學(xué)科合作來找到應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的實用解決方案，從而使這些獨特的系統(tǒng)更接近現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。