德克萨斯农工大学的研究人员表明，超级电容器通过拉伸和膨胀来响应充电，从而储存能量。这一发现可应用于柔性电子产品或其他需要坚固且具有高效能量存储能力的设备的新型材料的构造。
图形概要。图片来源：Matter (2023). DOI：10.1016/j.matt.2023.08.017
内部参与和化学工程教授副系主任 Jodie Lutkenhaus 博士与航空航天工程教授 Dimitris Lagoudas 博士和航空航天工程助理教授 James Boyd 博士合作，在《Matter》上发表了一项新研究。
我们测量了基于石墨烯的超级电容器电极中产生的应力，并将应力与离子移入和移出材料的方式相关联。例如，当电容器循环时，每个电极都会存储和释放离子，从而导致其膨胀和收缩。
朱迪·卢特肯豪斯博士。德克萨斯农工大学内部参与与化学工程系副教授、系主任
Lutkenhaus表示，这种反复运动可能会导致机械应力的积累，从而导致设备故障。她的研究旨在开发一种设备，可以检测储能材料充电和放电时的机械应力和应变。
该设备提供了测量充电和放电时电极机械行为的见解，而这很难实时检测。
我们正在开创测量电极同步电化学和机械响应的实验方法。我们的研究现在从超级电容器转向电池。
James Boyd 博士，德克萨斯农工大学航空航天工程系助理教授
机械损坏会降低电池循环寿命；因此，需要新的硬件和模型来解释实验观察结果，以理清质量扩散、反应、非弹性变形和机械损伤的影响。
内部和外部机械力可能导致电池和电容器失效。当电池经历设备的重复循环时，会产生内部应力，而外部应力可能源自设备的冲击或穿透。
当这些应力发生时，电池需要能够承受损坏。Lutkenhaus认为，了解器件电化学状态中机械应力如何发生至关重要。
Lutkenhaus补充道：“我们开发了一种可以做到这一点的仪器。通过获得这一重要的洞察力，我们也许能够设计出更安全、使用寿命更长的储能设备。”
该研究的目标是制造能够承受结构载荷的储能装置，并最终取代用作飞机结构面板的碳纤维增强塑料，从而提高能源效率。
本文是化学工程和航空航天工程科学家之间持续合作的成果。这项研究为如何将纳米材料用于航空航天应用的轻质且坚固的储能设备提供了独特的理解。
Dimitris Lagoudas 博士，德克萨斯农工大学航空航天工程系教授
期刊参考：
Loufakis, D., et al. (2023) In situ electrochemo-mechanical coupling of 2D nanomaterial supercapacitor electrodes. Matter. doi:10.1016/j.matt.2023.08.017
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