引言

随着航空航天和电动汽车等领域对轻量化、多功能材料的需求日益增长，复合结构超级电容器(composite structural supercapacitor;CSS)作为一种新型多功能材料，受到了广泛关注。CSS 结合了结构复合材料和超级电容器的优势，可以实现结构承载和电能存储的双重功能，在减轻重量、节约空间等方面具有巨大潜力。然而，CSS 的实际应用仍面临一些挑战，其中最主要的挑战是内部电阻过高，导致功率输出低。

近日，国际知名期刊《Composites science and Technology》发表了一篇由北京交通大学、北京航空航天大学、北京复合材料公司、山东工业技术研究院。哈尔滨工业大学的研究团队关于高模量碳纤维助力高性能复合结构超级电容器的研究成果。该研究旨在探索高模量碳纤维(M55J)在Cs 中的应用潜力，并通过优化电极材料和电解质设计，降低 CSS的内部电阻，提高其多功能性能。该研究对干推动 CS 的发展和应用具有重要意义。论文标题为"Hiah moduluscarbon fiber based composite structural supercapacitors towards reducing internal resistance and improving multifunctional performance”

二、研究内容及方法

文章描述了实验材料的准备和样品制备，包括ToravT300-3K和M551-6K碳纤维平纹织物，其面密度为200克/平方米;环氧树脂是四官能环氧MF-4101H和E51双酚A二缩水甘油醚的混合物，而jeffamine D400聚醚胺是固化剂。用作离子液体电解质的是1-乙基-3-甲基咪唑双[(三氣甲基)磺酰]亚胺。此外，还使用了玻璃织物作为分隔层，活性碳和碳黑分别作为电极活性材料和导电剂。聚四氟乙烯盲板和铜导电带以及铝带被用作集流体，所有材料均按原样使用。样品的制备包括制备碳纤维(Carbon fibers;CF)电极和双连续结构电解质(bicontinuous structural electrolytes;BES)。CF电极的制备涉及到将活性碳、碳黑导电剂和PVDF粘合刻混合，形成出稠浆料，然后均匀涂着在去尺寸化的织物上，经讨热乐和直空干燥以确保没有溶刘残留。BSEs的制备则涉及将环氧树脂混合物与落子液体和固化剂混合，形成均匀溶液后，进行固化循环，以形成双连续网络结构，

关于CSS的制造流程，包括了树脂的成膜过程以及随真空辅助固化步骤，CF织物被切制成小块，铜带被用作集流体，并放置在每个CF电极的表面。将未固化的BSE混合物通过树脂膜工艺浸清到干燥的CF/玻璃纤维(glass fiber;GF)/GF/CF纤维包中，进行真空程序和固化。将CSSs从模具中取出，浸泡在离子液体中，以确保填充所有孔隙。完成这一步骤后，将CSS密封在聚乙烯真空袋中，铜带伸出用于电流收集。

图1、CSS 制造和封装过程示意图(a)、T300 和 M55JCSS 在电流密度为 0.3 mA/cm2 时的 GCD 

图1.(IL/环氧树脂比率为 1.25:1)(b)、M55JCSS 在 0.06 mA/cm2 时的 GCD(c)和 EIS(d)LL/环氧树脂比率为 1.25:1。

此外，对CF织物的电阳测量、BSES的傅里叶变换红外光谱(fourier- transform infrared spectroscOpy;FTIR)和差示扫描量热-热重分析测试、BSEs的离子导电性测量、超级电容器设备的恒电流充放电和电化学阻抗谱测试、CSSs的机械测试以及扫描电子显微镜观察等进行了详细描述。这些测试方法用于评估材料的化学结构、热稳定性、离子导电性、机械性能和表面形态。

图2. 具有不同IL与环氧树脂比例的双连续结构电解质的性质：SEM形貌（a），FT-IR光谱（b），DSC-TG（c）；纯环氧树脂和离子液体的DSC-TG。

图 3. 使用等间隔方法在固结压力下测量 T300 和 M55J CF 织物的电阻（a）、使用 Cu 电流收集在 3 bar 下测量的电阻与长度的关系（b）、使用 Cu 和 Al 电流收集测量的 T300 CF 的电阻与固结压力的关系（c）以及使用 Cu 电流收集测量的平面内和全厚度电阻（d）。

关于CF织物的平面内和通过厚度的电阻，通过斜率和截距的R-L曲线图来确定，实验揭示，相较于T300 CF，M55)CF展现出更低的电阻值，在不同压实压力下的电阻测试表明，CF织物的电阻随着压实压力的增加而显著下降，这一趋势在T300 C的通过厚度电阻上尤为明显。此外，还探讨了纤维尺寸去除过程对电阻的影响，指出尺寸去除可以降低电明。通过SEM和ES曲线，分析了原始和去尺寸CF的表面形态以及它们在超级电容器中的电化学性能，指出去尺寸处理可以减少超级电容器设备的等效串联电阻。

同时，文章也讨论了BSEs的微观结构、化学组成、热稳定件和离子导电性，以及它们对超级电容器设备内明的影响，在比较使用M551和T300 CE制造的CSSs8电化学性能后，发现M55)CFCSSS在机械和电化学件能方面均优于T300CECSSS，尤是当使用不同比例的离子液体和环氧树脂组成的BSES时，M55)CCSSs显示出更高的电容、能量和功率密度，以及更低的等效串联电阻，实验结果为理解CF基CSSs的内部电阳来源提供了新的见解，并展示了如何同时提高CSS!的机械和电化学性能。

图 4. 尺寸 T300（a）、M55J（b）、退浆 T300（c）、M55J 碳纤维的 SEM 图像，以及使用退浆 CF 和离子液体电解质的单功能超级电容器的频率范围从 100 mHz 到 1 MHz 的 EIS 曲线（e），CF 单功能超级电容器的 GCD 曲线（f）。

图 5. T300 和 M55J CF CCS 的拉伸模量和强度。

三、小结

该研究结果表明，高模量碳纤维 (M55)是制造 CSS 的更有潜力的材料，可同时提高机械性能和电化学性能。BSE的组成可调整以满足不同多功能性能的需求,该研究为 CSS 的发展和应用提供了新的思路和方法。