超级电容未来道路----碳纤维复合材料(上)
发布时间：2023-05-14
要点一：多功能碳纤维复合材料结构超级电容器的设计与制备 高强度、轻质量的碳纤维增强复合材料一直以来被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等众多工程领域中。然而，传统的碳纤维增强复合材料越来越不能满足人们对工程材料的诸多需求，因此，功能化复合材料的研究热度与日俱增。 其中，一种同时具有高机械强度与良好电化学性能的多功能复合材料结构储能器件的概念被提出并吸引了许多研究者们的兴趣。它十分贴合对电动汽车，无人机，飞机等轻量化设计的理念。其高力学强度的特性使它足以替代传统的金属外壳结构，而同时又可作为储能装置为系统提供动力，从而减少甚至代替电池等储能装置的使用，提高结构的安全性并最大程度上地优化整体的重量与体积。 本文的碳纤维复合材料结构超级电容器主要由两部分组成。一部分是提供储能能力的柔性器件，是以KOH处理后的碳布作为正负电极并通过PVA-KOH凝胶电解质粘接而成。另一部分是作为支撑结构的树脂基复合材料层压板，主要提供力学强度与刚度。 本文采用了简单的成型工艺首先制备碳纤维柔性超级电容器，然后在纤维铺层过程中再将其放入树脂基复合材料层压板的层间，最终制得嵌入式碳纤维复合材料结构电容器，其结构如图1所示
图A基于KOH处理的碳布作为正负电极的柔性储能器件，图B碳纤维复合材料结构超级电容器的爆炸视图以及图C组装图。要点二：结构电容的电化学及力学性能
图A碳纤维复合材料结构超级电容器的结构；图B器件从1到100 mV·s-1的CV曲线；图C不同电流密度下器件的GCD曲线；图D器件在单个、并联和串联下的CV曲线。
图A恒定负载下结构电容的电化学循环性能。插图：实验示意图；图B循环前后结构电容的EIS结果，插图：等效电路图。 本文主要对碳纤维复合材料结构超级电容器进行了循环伏安、恒电流充放电以及循环性能等相关的电化学性能测试，其结果如图2，3所示。其比容量，能量密度以及功率密度分别达到88mF·g-1，9.9 mWh·kg-1和445.5 mW·kg-1（这里的计算所涉及到的质量为结构电容的总重）。对于力学性能进行了三点弯曲及界面强度测试，其弯曲强度与剪切强度分别为230 MPa和8.75 MPa，测试结果如图4a,b所示。
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