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Nat. Commun.：廈大白華教授、胡曉蘭副教授在承載儲能一體化電容器領(lǐng)域取得重要進展

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能一體化電容器的研究中取得重要進展，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，是一種同時具有力學(xué)承載能力和電化學(xué)儲能能力的高強度復(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，但是兼具高機械性能和電化學(xué)性能的器件的報道少之又少，其原因是缺乏高強度固體電解質(zhì)，且缺乏器件結(jié)構(gòu)和材料層面獨特的設(shè)計。
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能一體化超級電容器中的應(yīng)用，團隊用航空級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)率和高機械強度的雙連續(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，同時二者也作為復(fù)合材料的增強體，并固態(tài)電解質(zhì)EP50作為復(fù)合材料的基體，可以制得承載儲能一體化超級電容器。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行電化學(xué)能量存儲。電流密度為0.2 mA cm?2時，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)測試后電容保持率為92%，反映了器件具有優(yōu)異的儲能性能和循環(huán)穩(wěn)定性。同時，器件的彎曲斷裂強度為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。
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（聚合物固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)；承載儲能一體化超級電容器的制備及其儲能、力學(xué)性能）
團隊進一步設(shè)計了兩種多層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。這是首次對多層電化學(xué)LEID的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能進行研究，證實了通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，LEID可以以靈活的方式為提高移動系統(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級博士生張金夢和2018級碩士生嚴建龍。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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