这艘微型船由结构超级电容器制成，这种材料既提供结构支撑又具有能量存储能力。照片由 David Bailott/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院拍摄
想象一下，一部智能手机的外壳不仅可以起到保护作用，还可以充当蓄电室，或者一辆电动汽车，其车门和地板储存能量以推动其前进。由于加州大学圣地亚哥分校工程师最近的工作，此类技术有一天可能成为现实。
研究人员开发了所谓的结构超级电容器——一种提供结构支撑和能量存储能力的装置。这种设备可以在不增加额外重量的情况下为电子产品和车辆增加更多电量，从而使它们一次充电可以使用更长时间。
虽然结构超级电容器的概念并不是全新的，但创建一种既能有效承受机械负载又能有效存储电能的单一设备一直是一个长期的挑战。传统超级电容器在储能方面表现出色，但缺乏作为结构部件的机械强度。另一方面，结构材料可以提供支撑，但在能量存储方面却存在不足。
现在，由 Tse Nga (Tina) Ng 领导的团队与加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程系教授张新宇合作，在新型结构超级电容器中取得了两全其美的成果，最近在《科学进展》上发表了报道。
作为概念验证，研究人员使用他们的结构超级电容器建造了一艘微型太阳能船。超级电容器被模制成船体，然后安装有小型电机和电路。该电路连接到太阳能电池。当暴露在阳光下时，太阳能电池为超级电容器充电，超级电容器进而为船的发动机提供动力。在测试中，该船能够在水面上巡航，证明了这种创新能源存储解决方案的功效。
该设备由标准超级电容器组件组成：一对由电解质隔开的电极表面，电解质有利于离子在电极之间的流动。该设备的独特之处在于其所选择的材料组合可提高机械强度和电化学性能。
电极由编织成织物的碳纤维制成。这种碳纤维织物本身提供了相当大的结构强度。此外，它还涂有由导电聚合物和还原氧化石墨烯组成的特殊混合物，可显着增强离子流和能量存储能力。
固体电解质是另一个关键成分，它是环氧树脂和称为聚环氧乙烷的导电聚合物的混合物。环氧树脂提供结构支撑，而聚环氧乙烷的加入通过在整个电解质中形成孔隙网络来促进离子迁移率。
研究合著者 Lulu Yao（左）和 Nandu Koripally（右）都是工程博士。加州大学圣地亚哥分校 Tse Nga (Tina) Ng 实验室的学生共同制造和测试结构超级电容器。
这里的一个关键设计特征是聚环氧乙烷的浓度在电解质中变化，从而产生所谓的浓度梯度。电极附近的区域具有较高浓度的聚环氧乙烷。这种配置有助于离子在电极-电解质界面更快、更自由地流动，从而提高电化学性能。然而，较高的聚环氧乙烷浓度会导致更多的孔隙，从而削弱材料的强度。为了达到平衡，电解质的中心区域采用较低浓度的聚环氧乙烷制成，确保其能够提供结构支撑，同时保持离子的有效流动。
“这种梯度配置是在电解质中实现最佳性能的技巧，”吴说。“我们没有使用单一电解质配置，而是对其进行了结构化，使得接触电极的边缘具有更高的电气性能，而中间的机械性能更强。”
虽然这代表了结构储能的重大进步，但研究人员指出，仍有许多工作要做。超级电容器通常具有高功率密度，这意味着它们可以快速提供大量能量，但与电池相比，它们的能量密度通常较低。
“我们未来的工作将集中于提高超级电容器的能量密度，使其与某些电池组相媲美，”该研究的第一作者、材料科学与工程博士 Lulu Yao 说。Ng实验室的学生。“最终目标是实现更高的能量密度和功率密度。”
论文：“Structural pseudocapacitors with reinforced interfaces to increase multifunctional efficiency.” 合著者包括加州大学圣地亚哥分校的 Kai Cheng、Nandu Koripally 和 Xinyu Zhang；以及南密西西比大学的 Naresh Eedugurala 和 Jason D. Azoulay。
这项工作得到了国家科学基金会（PFITT 2120103、MCA 2120701 和 CNS-1901048）的支持。这项工作部分是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施 (SDNI) 进行的，该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员，由国家科学基金会 (ECCS-1542148) 支持。
本文来自UC San Diego，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
