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多功能复合材料可帮助实现电动汽车的结构超级电容器

2020-01-17 15:14:20 24

在最近的研究中,功能化的石墨烯/纳米纤维电极显示出2倍的模量,强度和5到10倍的多功能效率。

结构电池和结构超级电容器为电动汽车(EV)提供了一种潜在的解决方案,因为它们不仅可以处理结构载荷,而且可以存储能量和/或发电。对于将来的地面和空中机动性,这可以减少结构和电池的重量和体积,并在充电之间有更长的距离。然而,用于电池和超级电容器的电流电极的机械性能较差,因为它们通常由脆性材料制成。

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由德克萨斯农工大学(美国德克萨斯大学学院)化学工程师Jodie Lutkenhaus领导的团队使用还原的氧化石墨烯(rGO),创新的化学方法和芳纶纳米纤维来模仿天然材料的珍珠母,从而获得了杨氏模量和相对于纯rGO电极,其极限抗拉强度分别高220%和255%,与多功能电极相比,<1时的多功能效率值为5-13.6。

珍珠母质多功能复合材料

在发表于Matter期刊上的一篇文章中,Lutkenhaus和她的团队描述了使用多巴胺使rGO官能化(化学键合),然后将该材料与芳族聚酰胺纳米纤维结合形成复合材料。该论文解释说:“我们假设,受自然启发的材料可以将超级电容器电极的不良机械性能转变为模仿珍珠质,骨头或木材的电极,以实现极高的多功能效率值。”

珍珠母(珍珠母)由95体积%的文石(碳酸钙),甲壳质和蛋白质组成,但其韧性却比单独的文石高出三个数量级。其卓越的机械性能来自于其分层的复合结构:其组成粒子和基质在每个几何尺度或水平(例如,纳米,微米,中观,宏观)上都有不同的组织,并结合了这些水平之间的有效界面以实现高模量和强度,同时减少了裂纹扩展(请参见博客“ 新一代3D磁性3D打印量身定制的复合材料”)。

Lutkenhaus团队知道,已显示出基于石墨烯的模拟珍珠质的电极在电方面表现出色。挑战在于改善其机械性能。该小组试图使用激素和神经递质多巴胺来使rGO功能化。多巴胺还可以自聚合成高粘合力的聚合物聚多巴胺(PDA)。多巴胺模仿内衬珍珠质的贻贝中粘附蛋白的结构,而PDA已用于锂离子电池和超级电容器中,作为电极材料,隔膜改性剂和粘合剂。但是,只有少数研究集中在将PDA掺入rGO复合材料中。

正如在Matter技术论文中所解释的那样,“我们首次寻求将PDA改性rGO的优异机械性能与高模量,高强度凯夫拉纤维芳纶纳米纤维相结合,以提高多功能效率。”芳纶纳米纤维还具有已用于各种应用,包括能量存储。

良好的结构性能

利用真空过滤法制备了基于支化芳族聚酰胺纳米纤维和多巴胺官能化的rGO片的类似珍珠质的结构超级电容器电极,并对其性能进行了评估。据报道显示出优异的机械性能是由于多巴胺官能化引起的氢键增加和Ca 2 离子引起的螯合。

Lutkenhaus小组报告说,这种方法适用于其他模仿珍珠质的结构,这应会导致新的更强大的多功能自然灵感材料系列。“未来的工作应集中在提高电化学性能上,或者通过增加孔隙率来改善离子迁移率,或者通过添加伪电容材料来提高能量密度。据我们所知,在低芳族聚酰胺纳米纤维含量的导电复合材料中,获得的杨氏模量和多功能效率最高。这导致具有高电化学性能的结实的结构超级电容器电极。”