朱孔军教授、王婧教授，在AFM发表：设计和制备具有力电性能平衡的AC&GO碳纤维结构超级电容器

第一作者：张政

通讯作者：朱孔军*，王婧*

单位：南京航空航天大学

随着全球电动航空与储能技术的迅猛发展，航空结构件正不断向轻量化与多功能集成方向演进。碳纤维复合材料结构储能作为一种新兴技术，能够同时实现力学承载与能量存储的双重功能，已逐渐成为研究热点。其中，碳纤维结构超级电容器凭借其物理储能机制，具有快速充放电、高安全性、长循环寿命和高功率密度等优势，在航空领域展现出广阔的应用前景。然而，当前该领域仍面临一个关键挑战：如何在保持优异力学性能的同时，进一步提升其电化学容量与循环稳定性。

近日，来自南京航空航天大学-航空航天结构力学及控制全国重点实验室的朱孔军教授、王婧教授和博士生张政等团队成员，在国际知名期刊ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上发表题为“Design and Fabrication of AC&GO Carbon-Fiber Structural Supercapacitor with Balanced Mechanical and Electrochemical Properties”的研究论文。该论文提出了采用AC&GO复配活性材料设计和制备了碳纤维结构电极，并采用树脂基结构电解质和热压工艺组装成了一体化的碳纤维结构超级电容器，结果表明其具有优越的力学承载和电化学储能的双重特性。同时，该工艺方法简单高效以及具有批量化生产的优势，在航空航天领域具有极大的应用潜力。

结合AC高比表面积和GO优越力学性能，设计与制备了AC&GO碳纤维结构电极，显著提升了电极的比表面积和电化学性能，主要由于电极表面的活性材料具有高缺陷和无序结构，这有利于提供更多电化学反应的活性位点。另外，设计了一种树脂基结构电解质，通过双环氧树脂和离子电解液的配比调节，实现了电解质力学性能和离子电导率的有效调控。

将其组装成器件（如图2所示），AC&GO-CFCSSC在无载荷、承压载荷和拉伸载荷下均表现出了高电化学容量保持率和稳定的充放电循环特性。其中，在0-30kPa连续变压下循环10000圈后的电化学容量保持率分别为98.26%和93.75%。这主要得益于AC和GO的物理化学特性及其协同作用。AC具有高比表面积和丰富的孔结构，有利于电荷和离子的吸附与储存；GO的二维层状结构和优越的力学性能使其在外力作用下保持结构完整。两者的混合使GO能够填充活性炭颗粒间的孔隙，增强材料的紧密性和稳定性。AC的多孔结构促进离子的快速传输与储存，GO的层状结构则增加了与碳纤维表面的界面结合，并防止材料在受力后收缩变形。这种协同作用一定程度上确保了其在受载下稳定的电化学性能。

除了具有以上优越的电化学性能，在力学性能方面，与非储能碳纤维结构件相比，AC&GO-CFCSSC的拉伸强度保持率高于90%。对于部分力学性能的衰减，主要是由于KOH碱性溶液对碳纤维表面上浆剂的降解和腐蚀。另外，含离子电解液的结构电解质与纯环氧树脂在化学属性和力学强度上的差异。树脂基结构电解质在固化过程中改变了树脂的流动性、渗透程度及界面结合力，从而影响了其微观结构和力学性能。另外，通过多功能效率评估其数值大于1，表明兼具良好的力学承载和电能储存的双功能。

面向航空航天的轻量化和功能化设计需求，对于结构件的设计提出了更高的多功能应用目标，逐步实现结构件的“一材多用”。 本文结合轻量化的碳纤维材料以及应用广泛的碳基活性材料，制备了多种碳纤维结构电极，并利用双环氧树脂和离子电解液探究了一种双连续相结构电解质，最终通过热压工艺组装和设计了AC&GO-CFSSC，取得了阶段性的研究进展。由于该技术研究仍处于探索阶段，国内外尚存在大量问题亟待解决。为了实现碳纤维结构储能技术在我国航空航天领域的广泛应用，本文在研究过程中发现以下亟待优化和深入研究的问题：（1）结构电极和结构电解质的高容量与低阻抗优化（2）考虑结合新型3D打印技术的结构设计（3）增加原位表征和实时光纤监测表征方法（4）加强成型工艺参数细化和多工况耦合测试

Design and Fabrication of AC&GO Carbon-Fiber Structural Supercapacitor with Balanced Mechanical and Electrochemical Properties

朱孔军，南京航空航天大学航空学院教授，博导。2005年于日本国立高知大学获得博士学位，曾任日本东北大学助理教授。担任航空航天结构力学及控制全国重点实验室副主任。研究领域面向碳纤维复合材料结构储能、压电/铁电功能材料、锂/钠离子、锌离子电池电极材料、全固态电池关键材料、光纤监测等，在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater, Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊上发表SCI论文200余篇。先后入选教育部新世纪优秀人才计划、江苏省 “333高层次人才培养工程” 第二层次、江苏省六大人才高峰行动计划和南京市321人才计划。

王婧，南京航空航天大学航空学院教授，博导。2006年和2011年于清华大学获得本科和博士学位，2016年在剑桥大学做访问学者。入选江苏省高层次人才培养计划（“333”工程），江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师，南京航空航天大学“长空英才”。担任Journal of Materiomics、Advanced Powder Materials 、Microstructures期刊青年编委，中国复合材料学会学术交流工作委员会副主任委员等职。长期围绕铁性材料及功能器件的关键问题开展研究，主持国家自然科学基金项目4项、省部级科研项目3项、其它项目5项。近5年，在Science、Nature Communications、Chemical Engineering Journal等期刊以第一或通讯（含共同第一及共同通讯）作者发表SCI论文40余篇；翻译出版国外经典著作1部；以第一发明人获授权中国发明专利5项；在国际、国内学术会议上作邀请报告20次。

张政，博士生，就读于南京航空航天大学航空学院-航空航天结构力学及控制全国重点实验室，获得南航三好研究生、科研创新先进个人和优秀毕业研究生等荣誉。在读期间以第一作者身份共发表SCI论文5篇（2篇1区top，1篇共同一作），申请发明专利3项，参与陆军航空装备预先研究专用技术项目（1项）和主持江苏省研究生科研与实践创新计划项目（1项）。相关成果发表于Advanced Functional Materials、Advanced Composites and Hybrid Materials、ACS Applied Energy Materials和Journal of Power Sources。