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"结构超级电容器" 准备起飞

来源:长春节能网 时间:2019-02-27 17:58:47浏览量:3302

一辆电动汽车,无论是日产Leaf,特斯拉ModelS还是BMWi3,基本上都包含两个主要组成部分:电气部件(电池和电机)和结构部件(汽车车身)。电池的用途是存储和分配电能。而结构功能通常仅限于保护电池本身。同时,车身提供结构完整性,但不存储电能。然而,在某些情况下,可以将这两个部件组合成单一材料,也就是可以执行结构和能量存储功能的材料。    顾名思义,这种多功能结构材料同时具有两种或多种通常必须单独处理的功能。例如,结构角色可能与光学,电学,磁学或热学性质相结合。在某些情况下,整个复杂装置可以在主要结构材料内或从主要结构材料构建。    多功能性意味着这些材料可用于许多不同领域,从储能到包装。节省重量和体积的潜力使它们对移动电子设备,飞机和电动或混合动力车辆尤其具有吸引力。    随着电动车辆的日益普及,将结构性能与能量存储相结合的多功能装置特别受关注。    从广义上讲,创建这些设备有两种方法。一种策略是通过将常规的能量存储装置(例如电池)结合到主要结构材料中来节省体积,从而产生多功能结构。    第二种,更复杂,但也更具挑战性的方法是确保多功能设备的每个组件可以执行多个角色,并且本身由多功能材料组成,    世界各地的研究人员都在开发基于不同能量储存原理的多功能电能储存材料和电化学装置。一些研究人员正在通过电化学反应(如电池和燃料电池)这样做,而其他研究人员则专注于电荷的静电积累(如电容器和超级电容器)。最终,在这个领域的工作可能导致全电动飞机,信用卡大小的移动电话,这些材料的产生甚至将宣布“单功能”电池的消亡。    通常,单一的多功能材料不能实现其替代的每种单官能材料的全部性能。但是,由于它取代了两种材料或设备,因此其性能仅需要足够好以降低整体系统重量。为了理解什么是“足够好”,定义效率指数可能会有所帮助。只要结构和电效率的总和大于1(假设单功能材料中的每个单独的性质具有等于1的效率),则可以节省净重和体积。    另一个重要的考虑因素是储能设备的整体性能。这里的关键因素是能量密度,它可以测量设备中可以存储多少能量,以及能量密度,它决定了能量传输的速度。例如,电池和燃料电池的特征在于高能量密度但低功率密度,而电容器提供有限的能量密度和高功率密度。    上图为多功能性概念,(a)从概念上讲,电动汽车由一个主体(提供结构)和一个电池(存储电能-电动机被省略,因为它不包括在研究范围内)。(b)多功能电气存储材料(如此处所示的汽车行李箱盖)将两个部件组合成一个结构。    超级电容器介于电池和电容器之间的能量和功率密度之间,它的快速充电/放电速率与电动汽车特别相关。典型的超级电容器由电解质,隔板和由相同材料制成的两个高表面积电极组成。在添加了次要的,结构的,功能之后,所有这些组件仍然必须按照它们原始的单功能形式进行。例如,电极的表面积非常重要,因为存储的电能基于在施加电压之后在电极/电解质界面处分离双电层中的带电物质。    尽管存在这些限制要求,但超级电容器对于多功能材料开发者来说是有吸引力,原因是它们的电极在充电或放电时不会改变尺寸,并且材料可以持续很长时间(存活多达一百万次充电循环)。相反,电池系统提供更高的能量密度,但是当电流通过它们时,它们的电极通常会改变形状,从而导致应力和退化。超级电容器的另一个吸引力是它们的分层结构,它非常类似于传统的复合材料层压板。    传统的超级电容器和复合材料之间也存在其他相似之处。例如,尽管利用的形式不同,但两者都使用碳。传统的超级电容器使用碳作为电极材料,因为它具有高表面积并且导电良好;相反,复合材料中的碳由于其优异的机械性能而通常用作增强材料。因此,为了实现多功能性,必须组合这两组特性,这为实验修改碳提供了一系列可能性。    聚合物是能量存储装置和复合材料共有的形式。在聚合物的情况下,功能重叠不那么简单。在复合材料中,聚合物必须是刚性的,因为它们必须传递高剪切载荷;在电化学装置中,与电解质和溶剂组合,聚合物必须足够移动性以允许离子传导。实现高离子电导率和良好机械性能的所需组合是具有挑战性的,因为固有材料特性彼此冲突。    围绕这一冲突的一种有希望的解决方法是设计一种具有两个双连续相互连接相的材料:一个负责结构性能,另一个负责提供离子导电性。该途径不仅在结构电解质的制备中显示出潜力,而且在电极显影中也显示出潜力。在后者中,可以通过用高度多孔的碳材料如碳气凝胶浸渍未改性的碳(例如碳纤维)来实现双连续结构。    上图显示了用碳气凝胶浸渍的碳纤维。多功能元素碳对于结构超导体的开发者具有吸引力,因为不同形式的材料提供良好的导电性和优异的机械性能。    这些无定形碳质材料由互连的纳米尺寸颗粒的3D网络制成,具有低密度,大表面积和高导电性。整合结构碳纤维和碳气凝胶的性质可以形成具有高储能能力(由于其高表面积),而且还可以让增强复合材料结构的电极材料出现成为可能。    尽管在设计和开发单个多功能材料方面取得了很大进展,但这只是挑战的第一部分。在它们表现良好之前,必须将这些材料整合到结合多功能材料的有效系统中。这个过程自然会产生进一步的多功能需求,例如,需要多功能集电器,分离器或封装材料。    此外,多功能材料的行为和使用并不总是适合复合材料或能量存储装置的传统观点。有时,即使是两个材料的术语也可能不一致。例如,标准符号σ是表示应力还是电导率?需要新的跨学科合作来找到应对这些挑战的实用解决方案,从而使这些独特的系统更接近现实生活中的应用。
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