朱孔军教授、王婧教授、申来法教授，AEM：具有优异力-电协同性能的低温稳定高倍率聚吡咯/氧化钒碳纤维结构超电

第一作者：周恒

通讯作者：朱孔军*、王婧*、申来法*

单位：南京航空航天大学

随着低空经济的快速发展，尤其是无人机与电动飞行器的广泛应用，系统对续航能力与载荷能力的协同提升提出了更高要求。传统“结构—储能分离”模式中，结构件不参与储能且质量占比较大，严重限制了整体能量密度。碳纤维结构超级电容器（CF-SSCs）通过将储能功能与承载结构一体化，有望实现轻量化与高效能的统一。然而，碳纤维本身化学惰性强，界面活性位点有限，导致器件比电容偏低。同时，实际应用环境复杂多变，低温条件作为典型极端环境之一，对器件性能提出了更高要求。因此，研究兼具高倍率性能与低温适应性的CF-SSC体系，对于推动其在极端环境下的工程应用具有重要意义。

近日，来自南京航空航天大学的朱孔军教授、王婧教授与申来法教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Low-Temperature-Resilient and High-Rate Polypyrrole-Vanadium Oxide Carbon Fiber Structural Supercapacitors with Superior Mechanical-Electrochemical Synergy”的文章。该研究提出了使用H2V3O8@PPy电极涂层来构建具有超高能量密度和循环稳定性的碳纤维结构超级电容器。DFT计算阐明了PPy在促进界面电荷转移和稳定电极结构中的作用。进行了全面的应用评估，包括机械拉伸测试和低温电化学评估。

碳纤维虽具优异导电性与力学性能，但其表面化学惰性强、活性位点有限，难以实现高效电荷存储。同时，H2V3O8虽具多价态赝电容特性，但本征电导率低且循环过程中易发生结构退化。本研究通过低温原位氧化聚合策略，在H2V3O8纳米棒表面构筑均匀PPy导电涂层，形成稳定的核壳结构。该导电网络显著降低界面电荷传输阻抗，增强电子/离子协同传输，并提供额外赝电容贡献，同时有效缓冲体积变化，从而实现高比电容与优异倍率性能。

针对结构储能器件在极端环境下的应用需求，本研究系统评估了CF-SSC在低温条件下的电化学行为。结果表明，器件在-10 °C仍可保持42.1%的电容输出，并实现165 mWh kg-1的能量密度，显著优于已有报道。同时，PPy导电层有效改善低温下的界面电荷转移动力学，缓解电解质离子迁移受限问题，使器件在高电流密度（5 A g-1）下仍具良好可逆性与稳定性，展现出优异的高倍率-低温协同性能。

在满足高能量密度的同时，结构储能器件需具备可靠的力学承载能力。本研究构筑的H2V3O8@PPy@CF-SSC在引入储能功能后仍保持较高的力学性能，拉伸强度达126.5 MPa，拉伸模量为6.92 GPa，仅表现出有限性能衰减。其在循环及低温条件下仍保持良好的结构完整性与电化学稳定性，表明PPy涂层不仅提升界面稳定性，也有助于维持整体结构的力-电协同工作能力。

本研究为构筑兼具高倍率与低温适应性的碳纤维结构超级电容器提供了新思路。未来工作可进一步从以下几个方面展开：一是优化导电聚合物/无机活性材料界面结构，实现电子-离子传输的多尺度调控；二是开发更高离子电导率的低温固态电解质，以进一步提升极端环境下的性能表现；三是探索器件在更复杂服役条件（如低温-载荷耦合、循环疲劳等）下的稳定性与失效机制，从而推动结构储能器件在电动航空与智能结构系统中的工程化应用。

H. Zhou, X. Xu, P. Liang, et al. “Low-Temperature-Resilient and High-Rate Polypyrrole-Vanadium Oxide Carbon Fiber Structural Supercapacitors with Superior Mechanical-Electrochemical Synergy.” Advanced Energy Materials (2026): e70890.

朱孔军，南京航空航天大学航空学院教授、博士生导师，兼任航空航天结构力学及控制全国重点实验室副主任。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。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. Mater.，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”第二层次等。

王婧，南京航空航天大学航空学院教授、博士生导师。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。长期围绕铁性材料及功能器件的关键问题开展研究，近年来在Science、Nature Commun. Adv. Mater. 等期刊以第一或通讯作者发表SCI论文40余篇。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。

申来法，南京航空航天大学材料科学与技术学院教授、博士生导师，国家级青年人才、德国马普固体所洪堡学者（合作导师Joachim Maier教授和余彦教授）；南航材料学院副院长、江苏省高效储能材料与技术重点实验室副主任。从事高功率化学电源材料与器件及在航空航天领域应用的研究。以第一/通讯作者在Nature Energy, Nature Commun. Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表多篇高影响力论文，H-index 72。荣获国际电化学会“电化学材料科学奖”、江苏省科学技术奖二等奖、中国青少年科技创新奖。