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，電學，磁學或熱學性質(zhì)相結(jié)合。在某些情況下，整個復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裝置。一些研究人員正在通過電化學反應(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)乃俣取＠纾姵睾腿剂想姵氐奶卣髟谟诟吣芰棵芏鹊凸β拭芏龋娙萜魈峁┯邢薜哪芰棵芏群透吖β拭芏取?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，但是當電流通過它們時，它們的電極通常會改變形狀，從而導致應(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)的復合材料層壓板。

傳統(tǒng)的超級電容器和復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電良好;相反，復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。實現(xiàn)高離子電導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：一個負責結(jié)構(gòu)性能，另一個負責提供離子導電性。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)力還是電導率？需要新的跨學科合作來找到應(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。