結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的儲(chǔ)能技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，其中包括多功能復(fù)合材料的使用，由于其優(yōu)越的電氣、化學(xué)、熱、機(jī)械和電磁性能，這種復(fù)合材料不僅具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，還具有“雙重功能”。
近日，澳大利亞斯威本科技大學(xué)的Nisa Salim等相關(guān)研究人員展示了一種創(chuàng)新的方法來創(chuàng)造“結(jié)構(gòu)電池和超級(jí)電容器”，既可作為輕巧而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)部件，也可作為電池。研究人員開發(fā)了新的方法，使碳纖維復(fù)合材料成為結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器，使其有望在未來的運(yùn)輸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、空間和節(jié)能的多功能功能。
通常，超級(jí)電容器由兩個(gè)電極、電解質(zhì)和隔膜組成。同樣，結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器是通過排列改性碳纖維織物電極來制造的，電極由絕緣織物或聚合物膜隔開，并注入聚合物電解質(zhì)。碳纖維復(fù)合材料可以在儲(chǔ)存（和輸送）電能的同時(shí)承載機(jī)械載荷。然而，碳纖維具有非常有限的有效表面積，這使得它們幾乎無法儲(chǔ)存實(shí)際應(yīng)用所需的大量電化學(xué)能量。實(shí)現(xiàn)碳纖維的高表面積被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)其作為電化學(xué)儲(chǔ)能電極材料潛力的最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一。
存在不同的技術(shù)來提高 CF 織物的表面積，例如活化、碳納米管接枝技術(shù)和碳纖維表面涂層技術(shù)?；罨疌F 具有高表面積，通常用作超級(jí)電容器的電極材料。然而，由于石墨化程度低和碳纖維表面的蝕刻，碳纖維的活化導(dǎo)致其力學(xué)性能顯著下降。此外，這種活化過程是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樗枰娱L制備時(shí)間和使用金屬氧化物。
采用不同的碳材料對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性。與膨脹石墨、碳納米管和活性炭相比，石墨烯基材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、相對(duì)易分散、高比表面積和高導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)。為了避免石墨烯片的自聚集，通常將其組裝成三維建筑結(jié)構(gòu)，以保持其較高的比表面積。在最近的研究中，石墨烯氣凝膠(GA)因其微觀和宏觀多孔結(jié)構(gòu)、三維互聯(lián)框架良好的力學(xué)穩(wěn)定性、以及可作為單片襯底加載各種納米材料而被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器應(yīng)用中。石墨烯氣凝膠是通過將石墨烯納米片組裝成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)而制備的。在高濃度氧化石墨烯溶液中，水熱過程中的π-π堆積過程和冷凍干燥過程使得石墨烯氣凝膠在范德華力作用下物理接觸并形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
本研究以未經(jīng)過任何活化或其他表面修飾的CFs為基底，開發(fā)了一種基于石墨烯氣凝膠(GA)修飾CF電極的多功能結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器。通過探索水相氧化石墨烯的水熱自組裝工藝制備了GA，并將其與碳纖維(CFs)結(jié)合以提高比表面積，最終提高結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的存儲(chǔ)容量。采用不同的負(fù)載量來確定GA負(fù)載對(duì)超級(jí)電容器電化學(xué)性能的影響。由于靜電紡絲納米薄膜的高孔隙率和極低的厚度，從而最大限度地降低了結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的內(nèi)阻，因此被用作隔膜材料。此外，它具有離子導(dǎo)電性和電絕緣性，這使得它適合于隔膜功能。使用薄的靜電紡納米纖維隔膜也防止了設(shè)備中電極的短路。
