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Nat. Commun.：廈大白華教授、胡曉蘭副教授在承載儲能一體化電容器領域取得重要進展

來源：廈門大學      2023-01-31
導讀：近日，廈門大學材料學院白華教授與胡曉蘭副教授在承載儲能一體化電容器的研究中取得重要進展，相關成果以“High-strength and machinable load-bearing integrated electrochemical capacitors based on polymeric solid electrolyte”為題在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications,2023, 14:64)。
承載儲能一體化器件（Load bearing/energy storage integrated devices,LEID）又稱結構功能一體化材料，是一種同時具有力學承載能力和電化學儲能能力的高強度復合材料。如果汽車外殼、底盤等結構部件可以作為電源使用，則能夠在不增加專用電源質量和體積的前提下提升系統總能量密度。然而，盡管LEID的概念已經提出了多年，但是兼具高機械性能和電化學性能的器件的報道少之又少，其原因是缺乏高強度固體電解質，且缺乏器件結構和材料層面獨特的設計。
基于此，白華教授與胡曉蘭副教授合作，系統地研究了聚合物基固態電解質及其在可加工的承載儲能一體化超級電容器中的應用，團隊用航空級5284環氧樹脂樹脂，與雙(三氟甲基磺酸酰基)亞胺鋰和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酸酰基)亞胺配合，制得了具有高離子電導率和高機械強度的雙連續相聚合物固態電解質。其中5284環氧樹脂高力學強度及其與離子液體之間適宜的相容性，使得獲得的固態電解質EP50具有優異的綜合性能，其離子電導率可達6.7×10?1mS cm?1。以碳纖維織物作為電極，玻璃纖維織物作為隔膜，同時二者也作為復合材料的增強體，并固態電解質EP50作為復合材料的基體，可以制得承載儲能一體化超級電容器。其外觀類似于傳統樹脂基碳纖維復合材料，但是可以通過碳纖維電極進行電化學能量存儲。電流密度為0.2 mA cm?2時，器件的面積比電容為32.4 mF cm?2，具有較高倍率性能。10000次循環測試后電容保持率為92%，反映了器件具有優異的儲能性能和循環穩定性。同時，器件的彎曲斷裂強度為160.0 MPa，彎曲模量為18.1GPa，均顯著高于常見的工程塑料。此外器件還承受鉆孔、切割等二次加工，而不損失其能量存儲能力。因此，器件可以作為承載材料使用，并利用傳統的加工組裝方式集成到系統之中。
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（聚合物固態電解質化學及微觀結構；承載儲能一體化超級電容器的制備及其儲能、力學性能）
團隊進一步設計了兩種多層LEID結構一體化器件的結構（連通型和分隔型），并進行了比較研究。結果表明，連通型的多層器件只能工作在并聯模式下，而分隔型的多層器件可以工作在串聯和并聯兩種模式下，雖然制備較為復雜，但是具有靈活的工作方式。這是首次對多層電化學LEID的結構設計和性能進行研究，證實了通過合理的結構設計，LEID可以以靈活的方式為提高移動系統的能量密度提供解決方案。
該論文的第一作者是廈門大學材料學院2020級博士生張金夢和2018級碩士生嚴建龍。研究工作得到國家自然科學基金（21975210，22179115，21774104）、廈門市青年創新基金（3502Z20206043）等的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35737-w



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