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北京交通|北航|哈工大等Top期刊:高模量碳纖維助力高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器
來源: | 作者:張生 | 發(fā)布時(shí)間: 2025-04-12 | 106 次瀏覽 | 分享到:

引言

隨著航空航天和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域?qū)p量化、多功能材料的需求日益增長,復(fù)合結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器(composite structural supercapacitor;CSS)作為一種新型多功能材料,受到了廣泛關(guān)注。CSS 結(jié)合了結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和超級(jí)電容器的優(yōu)勢,可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載和電能存儲(chǔ)的雙重功能,在減輕重量、節(jié)約空間等方面具有巨大潛力。然而,CSS 的實(shí)際應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn),其中最主要的挑戰(zhàn)是內(nèi)部電阻過高,導(dǎo)致功率輸出低

近日,國際知名期刊《Composites science and Technology》發(fā)表了一篇由北京交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京復(fù)合材料公司、山東工業(yè)技術(shù)研究院。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于高模量碳纖維助力高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的研究成果。該研究旨在探索高模量碳纖維(M55J)在Cs 中的應(yīng)用潛力,并通過優(yōu)化電極材料和電解質(zhì)設(shè)計(jì),降低 CSS的內(nèi)部電阻,提高其多功能性能。該研究對干推動(dòng) CS 的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。論文標(biāo)題為"Hiah moduluscarbon fiber based composite structural supercapacitors towards reducing internal resistance and improving multifunctional performance”


二、研究內(nèi)容及方法

文章描述了實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備和樣品制備,包括ToravT300-3K和M551-6K碳纖維平紋織物,其面密度為200克/平方米;環(huán)氧樹脂是四官能環(huán)氧MF-4101H和E51雙酚A二縮水甘油醚的混合物,而jeffamine D400聚醚胺是固化劑。用作離子液體電解質(zhì)的是1-乙基-3-甲基咪唑雙[(三氣甲基)磺酰]亞胺。此外,還使用了玻璃織物作為分隔層,活性碳和碳黑分別作為電極活性材料和導(dǎo)電劑。聚四氟乙烯盲板和銅導(dǎo)電帶以及鋁帶被用作集流體,所有材料均按原樣使用。樣品的制備包括制備碳纖維(Carbon fibers;CF)電極和雙連續(xù)結(jié)構(gòu)電解質(zhì)(bicontinuous structural electrolytes;BES)。CF電極的制備涉及到將活性碳、碳黑導(dǎo)電劑和PVDF粘合刻混合,形成出稠漿料,然后均勻涂著在去尺寸化的織物上,經(jīng)討熱樂和直空干燥以確保沒有溶劉殘留。BSEs的制備則涉及將環(huán)氧樹脂混合物與落子液體和固化劑混合,形成均勻溶液后,進(jìn)行固化循環(huán),以形成雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),

關(guān)于CSS的制造流程,包括了樹脂的成膜過程以及隨真空輔助固化步驟,CF織物被切制成小塊,銅帶被用作集流體,并放置在每個(gè)CF電極的表面。將未固化的BSE混合物通過樹脂膜工藝浸清到干燥的CF/玻璃纖維(glass fiber;GF)/GF/CF纖維包中,進(jìn)行真空程序和固化。將CSSs從模具中取出,浸泡在離子液體中,以確保填充所有孔隙。完成這一步驟后,將CSS密封在聚乙烯真空袋中,銅帶伸出用于電流收集。

圖1、CSS 制造和封裝過程示意圖(a)、T300 和 M55JCSS 在電流密度為 0.3 mA/cm2 時(shí)的 GCD 

圖1.(IL/環(huán)氧樹脂比率為 1.25:1)(b)、M55JCSS 在 0.06 mA/cm2 時(shí)的 GCD(c)和 EIS(d)LL/環(huán)氧樹脂比率為 1.25:1。

此外,對CF織物的電陽測量、BSES的傅里葉變換紅外光譜(fourier- transform infrared spectroscOpy;FTIR)和差示掃描量熱-熱重分析測試、BSEs的離子導(dǎo)電性測量、超級(jí)電容器設(shè)備的恒電流充放電和電化學(xué)阻抗譜測試、CSSs的機(jī)械測試以及掃描電子顯微鏡觀察等進(jìn)行了詳細(xì)描述。這些測試方法用于評(píng)估材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、離子導(dǎo)電性、機(jī)械性能和表面形態(tài)。

圖2. 具有不同IL與環(huán)氧樹脂比例的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)電解質(zhì)的性質(zhì):SEM形貌(a),F(xiàn)T-IR光譜(b),DSC-TG(c);純環(huán)氧樹脂和離子液體的DSC-TG。


圖 3. 使用等間隔方法在固結(jié)壓力下測量 T300 和 M55J CF 織物的電阻(a)、使用 Cu 電流收集在 3 bar 下測量的電阻與長度的關(guān)系(b)、使用 Cu 和 Al 電流收集測量的 T300 CF 的電阻與固結(jié)壓力的關(guān)系(c)以及使用 Cu 電流收集測量的平面內(nèi)和全厚度電阻(d)。

關(guān)于CF織物的平面內(nèi)和通過厚度的電阻,通過斜率和截距的R-L曲線圖來確定,實(shí)驗(yàn)揭示,相較于T300 CF,M55)CF展現(xiàn)出更低的電阻值,在不同壓實(shí)壓力下的電阻測試表明,CF織物的電阻隨著壓實(shí)壓力的增加而顯著下降,這一趨勢在T300 C的通過厚度電阻上尤為明顯。此外,還探討了纖維尺寸去除過程對電阻的影響,指出尺寸去除可以降低電明。通過SEM和ES曲線,分析了原始和去尺寸CF的表面形態(tài)以及它們在超級(jí)電容器中的電化學(xué)性能,指出去尺寸處理可以減少超級(jí)電容器設(shè)備的等效串聯(lián)電阻。

同時(shí),文章也討論了BSEs的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、熱穩(wěn)定件和離子導(dǎo)電性,以及它們對超級(jí)電容器設(shè)備內(nèi)明的影響,在比較使用M551和T300 CE制造的CSSs8電化學(xué)性能后,發(fā)現(xiàn)M55)CFCSSS在機(jī)械和電化學(xué)件能方面均優(yōu)于T300CECSSS,尤是當(dāng)使用不同比例的離子液體和環(huán)氧樹脂組成的BSES時(shí),M55)CCSSs顯示出更高的電容、能量和功率密度,以及更低的等效串聯(lián)電阻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為理解CF基CSSs的內(nèi)部電陽來源提供了新的見解,并展示了如何同時(shí)提高CSS!的機(jī)械和電化學(xué)性能。

圖 4. 尺寸 T300(a)、M55J(b)、退漿 T300(c)、M55J 碳纖維的 SEM 圖像,以及使用退漿 CF 和離子液體電解質(zhì)的單功能超級(jí)電容器的頻率范圍從 100 mHz 到 1 MHz 的 EIS 曲線(e),CF 單功能超級(jí)電容器的 GCD 曲線(f)。

圖 5. T300 和 M55J CF CCS 的拉伸模量和強(qiáng)度。

三、小結(jié)

該研究結(jié)果表明,高模量碳纖維 (M55)是制造 CSS 的更有潛力的材料,可同時(shí)提高機(jī)械性能和電化學(xué)性能。BSE的組成可調(diào)整以滿足不同多功能性能的需求,該研究為 CSS 的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的思路和方法。




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