一种新式的碳纤维复合材料结构超级电容器的设计与制备

研究背景

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。

文章简介

基于此，香港理工大学黄海涛教授与南方科技大学周利民教授团队在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为“A novel embedded all-solid-state composite structural supercapacitor based on activated carbon fiber electrode and carbon fiber reinforced polymer matrix”的研究文章。该文章介绍了一种既能承受机械载荷，同时又具有储能功能的多功能碳纤维复合材料结构超级电容器的设计与制备，为多功能储能碳纤维复合材料的发展提供了新的途径。

示意图. 碳纤维复合材料结构超级电容器的制备流程示意图及其在电动汽车中的潜在应用。

本文要点

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

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1.a)基于KOH处理的碳布作为正负电极的柔性储能器件；b)碳纤维复合材料结构超级电容器视图以及c)组装图。

要点二：结构电容的电化学及力学性能

图2.a)碳纤维复合材料结构超级电容器的结构；b)器件从1到100 mV·s-1的CV曲线；c)不同电流密度下器件的GCD曲线；d)器件在单个、并联和串联下的CV曲线。

图3.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；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88 mF·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。

要点三：力学-电化学双场耦合下结构电容的性能表现

图4. 结构电容和传统CFRP的a)三点弯曲（插图：测试示意图）和b)剪切强度（插图：试验示意图）测试结果对比；对结构电容力学-电化学双场耦合测试中的c)电化学三点弯曲试验和d)电化学拉伸测试（插图：测试示意图）的CV结果。

图 5.a)结构电容的电化学拉伸疲劳测量（同时进行GCD测试和动态疲劳拉伸测试）；b)为a)中黄色区域的GCD曲线和循环载荷曲线。

考虑到如果将碳纤维复合材料结构电容应用到实际中，其工况应该多为在受外力载荷的同时仍能提供储能能力。因此，探究外力对器件电化学性能的影响是很有必要的。本文采用了三种力学-电化学双场耦合测试场景，在施加外部机械载荷的同时对结构电容进行电化学性能测试。实验结果表明，无论在静态恒定载荷下（电化学-拉伸测试及电化学-三点弯曲测试），还是在动态疲劳载荷下（电化学-疲劳拉伸测试），结构电容器都表现了非常稳定的电化学行为。

要点四：总结与前瞻

虽然文中的碳纤维复合材料结构超级电容器实现了机械负载与电化学储能相结合，但不可忽视的是其电化学性能与现有的液态电解质超级电容器还有很大差距。在未来的发展中，应在保证力学性能的同时，大幅度提高储能能力。总之，碳纤维复合材料结构超级电容器的概念具有广阔的工程应用前景，并且值得进一步发展。这也为碳纤维复合材料的发展与应用拓宽了道路。

封面来源：图虫创意