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Nat. Commun.：廈大白華教授、胡曉蘭副教授在承載儲(chǔ)能一體化電容器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
來源：廈門大學(xué) 2023-01-31
導(dǎo)讀：近日，廈門大學(xué)材料學(xué)院白華教授與胡曉蘭副教授在承載儲(chǔ)能一體化電容器的研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“High-strength and machinable load-bearing integrated electrochemical capacitors based on polymeric solid electrolyte”為題在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications,2023, 14:64)。
承載儲(chǔ)能一體化器件（Load bearing/energy storage integrated devices,LEID）又稱結(jié)構(gòu)功能一體化材料，是一種同時(shí)具有力學(xué)承載能力和電化學(xué)儲(chǔ)能能力的高強(qiáng)度復(fù)合材料。如果汽車外殼、底盤等結(jié)構(gòu)部件可以作為電源使用，則能夠在不增加專用電源質(zhì)量和體積的前提下提升系統(tǒng)總能量密度。然而，盡管LEID的概念已經(jīng)提出了多年，但是兼具高機(jī)械性能和電化學(xué)性能的器件的報(bào)道少之又少，其原因是缺乏高強(qiáng)度固體電解質(zhì)，且缺乏器件結(jié)構(gòu)和材料層面獨(dú)特的設(shè)計(jì)。基于此，白華教授與胡曉蘭副教授合作，系統(tǒng)地研究了聚合物基固態(tài)電解質(zhì)及其在可加工的承載儲(chǔ)能一體化超級(jí)電容器中的應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)用航空級(jí)5284環(huán)氧樹脂樹脂，與雙(三氟甲基磺酸?；?亞胺鋰和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酸酰基)亞胺配合，制得了具有高離子電導(dǎo)率和高機(jī)械強(qiáng)度的雙連續(xù)相聚合物固態(tài)電解質(zhì)。其中5284環(huán)氧樹脂高力學(xué)強(qiáng)度及其與離子液體之間適宜的相容性，使得獲得的固態(tài)電解質(zhì)EP50具有優(yōu)異的綜合性能，其離子電導(dǎo)率可達(dá)6.7×10?1mS cm?1。以碳纖維織物作為電極，玻璃纖維織物作為隔膜，同時(shí)二者也作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，并固態(tài)電解質(zhì)EP50作為復(fù)合材料的基體，可以制得承載儲(chǔ)能一體化超級(jí)電容器。其外觀類似于傳統(tǒng)樹脂基碳纖維復(fù)合材料，但是可以通過碳纖維電極進(jìn)行電化學(xué)能量存儲(chǔ)。電流密度為0.2 mA cm?2時(shí)，器件的面積比電容為32.4 mF cm?2，具有較高倍率性能。10000次循環(huán)測(cè)試后電容保持率為92%，反映了器件具有優(yōu)異的儲(chǔ)能性能和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，器件的彎曲斷裂強(qiáng)度為160.0 MPa，彎曲模量為18.1GPa，均顯著高于常見的工程塑料。此外器件還承受鉆孔、切割等二次加工，而不損失其能量存儲(chǔ)能力。因此，器件可以作為承載材料使用，并利用傳統(tǒng)的加工組裝方式集成到系統(tǒng)之中。（聚合物固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)；承載儲(chǔ)能一體化超級(jí)電容器的制備及其儲(chǔ)能、力學(xué)性能）團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了兩種多層LEID結(jié)構(gòu)一體化器件的結(jié)構(gòu)（連通型和分隔型），并進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，連通型的多層器件只能工作在并聯(lián)模式下，而分隔型的多層器件可以工作在串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式下，雖然制備較為復(fù)雜，但是具有靈活的工作方式。這是首次對(duì)多層電化學(xué)LEID的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行研究，證實(shí)了通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，LEID可以以靈活的方式為提高移動(dòng)系統(tǒng)的能量密度提供解決方案。該論文的第一作者是廈門大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生張金夢(mèng)和2018級(jí)碩士生嚴(yán)建龍。研究工作得到國家自然科學(xué)基金（21975210，22179115，21774104）、廈門市青年創(chuàng)新基金（3502Z20206043）等的資助。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35737-w
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