近日，威廉希尔官网白华教授与胡晓兰副教授在承载储能一体化电容器的研究中取得重要进展，相关成果以“High-strength and machinable load-bearing integrated electrochemical capacitors based on polymeric solid electrolyte”为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications, 2023, 14:64)。
承载储能一体化器件（Load bearing/energy storage integrated devices, LEID）又称结构功能一体化材料，是一种同时具有力学承载能力和电化学储能能力的高强度复合材料。如果汽车外壳、底盘等结构部件可以作为电源使用，则能够在不增加专用电源质量和体积的前提下提升系统总能量密度。然而，尽管LEID的概念已经提出了多年，但是兼具高机械性能和电化学性能的器件的报道少之又少，其原因是缺乏高强度固体电解质，且缺乏器件结构和材料层面独特的设计。
基于此，白华教授与胡晓兰副教授合作，系统地研究了聚合物基固态电解质及其在可加工的承载储能一体化超级电容器中的应用，团队用航空级5284环氧树脂，与双(三氟甲基磺酸酰基)亚胺锂和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酸酰基)亚胺配合，制得了具有高离子电导率和高机械强度的双连续相聚合物固态电解质。其中5284环氧树脂高力学强度及其与离子液体之间适宜的相容性，使得获得的固态电解质EP50具有优异的综合性能，其离子电导率可达6.7×10−1 mS cm−1。以碳纤维织物作为电极，玻璃纤维织物作为隔膜，同时二者也作为复合材料的增强体，并固态电解质EP50作为复合材料的基体，可以制得承载储能一体化超级电容器。其外观类似于传统树脂基碳纤维复合材料，但是可以通过碳纤维电极进行电化学能量存储。电流密度为0.2 mA cm−2时，器件的面积比电容为32.4 mF cm−2，具有较高倍率性能。10000次循环测试后电容保持率为92%，反映了器件具有优异的储能性能和循环稳定性。同时，器件的弯曲断裂强度为160.0 MPa，弯曲模量为18.1 GPa，均显著高于常见的工程塑料。此外器件还承受钻孔、切割等二次加工，而不损失其能量存储能力。因此，器件可以作为承载材料使用，并利用传统的加工组装方式集成到系统之中。
图1 聚合物固态电解质及超级电容器的制备流程、各组分的化学结构、固态电解质和超级电容器的电化学性能表征
团队进一步设计了两种多层LEID结构一体化器件的结构（连通型和分隔型），并进行了比较研究。结果表明，连通型的多层器件只能工作在并联模式下，而分隔型的多层器件可以工作在串联和并联两种模式下，虽然制备较为复杂，但是具有灵活的工作方式。这是首次对多层电化学LEID的结构设计和性能进行研究，证实了通过合理的结构设计，LEID可以以灵活的方式为提高移动系统的能量密度提供解决方案。
文章第一作者是威廉希尔官网2020级博士生张金梦和2018级硕士生严建龙。研究工作得到国家自然科学基金（21975210，22179115，21774104）、厦门市青年创新基金（3502Z20206043）等的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35737-w
