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港理工黄海涛、南科大周利民 CEJ：一种新式碳纤维复合材料结构超级电容器的设计与制备

时间：2022-11-19 来源：浏览：

港理工黄海涛、南科大周利民 CEJ：一种新式碳纤维复合材料结构超级电容器的设计与制备

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微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#超级电容器 15 个

#碳纤维复合材料 2 个

#结构电容 2 个

#复合材料结构储能器件 3 个

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近日， 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。香港理工大学应用物理系及南方科技大学系统设计与智能制造学院联合培养博士研究生 周悍墨 为第一作者。

文中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。本文采用简单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。在电化学性能方面，它的比容量、能量密度与功率密度分别达到 88 mF · g ^-1 ， 9.9 mWh · kg ^-1 和 445.5 mW · kg ^-1 。在力学性能方面，它的弯曲强度和剪切强度分别为 230 MPa 和 8.75 MPa 。此外，作者还对结构电容器进行了力学 - 电化学双场耦合测试，即在外力作用的同时进行电化学性能测试，来探究在外力作用下器件电化学性能的稳定性。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。基于此，碳纤维复合材料结构超级电容器在许多工程应用中具有巨大的应用潜力。如在电动汽车中，可以将原本的车身外壳用其替代，这样车体本身便在提供力学支撑的同时又能储存能量，降低原本电池部分的重量。

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。

示意图 1. 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。

图 1 .a) 在 20 mV·s ^-1 的扫描速率下，不同 KOH 浓度处理的碳布（ ACC ）和原始碳布的 CV 曲线； b) 在 1 mA·cm ^-2 下不同 ACC 的 GCD 曲线； c)1:1 ACC 电极在不同扫描速率下的 CV 曲线； d)1:1 ACC 的 GCD 曲线； e) 不同 ACC 样品的倍率性能； f)1:1 ACC 电极在 10 mA·cm ^-2 下的循环性能，插图：循环期间的 GCD 曲线； g) 不同 ACC 样品的 EIS 结果，插图：高频区域的放大 EIS 结果和等效电路图。