朱孔军教授、申来法教授、胡林峰教授，AM：石墨烯-钒氧化物异质结促进电子-离子耦合以实现超高能量密度碳纤维结构超级电容器

第一作者：周恒、王婧

通讯作者：朱孔军、申来法、胡林峰*

单位：南京航空航天大学、东南大学

随着绿色能源和智能物流的迅速发展，无人驾驶飞行器在货物运输中发挥着重要作用。目前，无人机的机身与承载结构多采用碳纤维复合材料，以实现轻量化与高比强度。然而，电池系统体积庞大且需要额外的配重，这限制了其续航能力和载重能力。因此，结构储能一体化设计作为一种有前景的解决方案应运而生。碳纤维复合材料结构超级电容器（CF-SSC）通过将碳纤维电极与环氧树脂基固体聚合物电解质相结合，能同时实现机械承载和电化学储能。

近日，来自南京航空航天大学的朱孔军教授、申来法教授与东南大学的胡林峰教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Graphene-Vanadium Oxide Heterojunction Boosting Electron-Ion Coupling for Ultrahigh Energy Density Carbon Fiber Structural Supercapacitors”的文章。该研究提出了一种简单高效的一步高温混合法（HTMM）来合成H₂V₃O₈/rGO异质结。研究人员首次使用H₂V₃O₈/rGO作为电极涂层制备了碳纤维结构超级电容器（H₂V₃O₈/rGO@CF-SSC）。系统地研究了H₂V₃O₈/rGO@CF-SSC的电化学性能、载荷下的电容保持率、机械拉伸性能和安全性能。

碳纤维虽然具有优异的导电性和力学性能，但表面化学惰性强、比表面积低，难以有效参与电化学反应，严重限制了其在结构储能器件比容量和能量密度的提升。通过一种简单高效的一步高温混合水热法合成的 H₂V₃O₈/rGO复合材料，rGO的高导电网络与 H₂V₃O₈的多价态可逆氧化还原特性形成了紧密耦合的界面结构，促进了电子在界面间的快速传输与 Li⁺的高效扩散，从而实现了优异的电化学性能。

随着无人机物流与电动航空等领域的迅速发展，结构储能单元被要求在实现高能量密度的同时兼具轻量化与力学承载能力。然而，传统储能器件在受载或变形条件下往往出现性能衰减，难以满足飞行器机体、机翼等关键结构部位的综合力-电性能需求。本研究所制备的 H₂V₃O₈/rGO@CF-SSC 在 120 kPa 压缩载荷下仍能保持 88% 的容量（高于无载时的 83%），展现出优异的电化学-力学耦合稳定性。同时，其具有127.2 MPa 的抗拉强度与 6.95 GPa 的拉伸模量，表明该器件在兼顾能量存储与结构承载方面具备良好的综合性能，为结构储能系统的实际应用奠定了基础。

面向未来无人机、电动航空器及智能结构装备的实际应用，结构储能单元不仅需要高能量密度和力学强度，还必须在复杂环境和局部损伤条件下保持稳定运行。本研究对器件进行了切割与钻孔处理以及串并联组装测试。即便发生结构损伤，装置仍保持较高电容且未出现短路或失效现象，充分验证了固态电解质在保障安全性与可操作性方面的重要作用。串联与并联组装实验进一步揭示了该结构储能器件的优异可扩展性。为多层化、可扩展的结构储能系统设计与实际工程应用提供了坚实基础。

本研究为高能量密度碳纤维结构超级电容器的设计提供了新思路。考虑到航空航天装备在实际运行中常面临低温、高载荷等复杂服役环境，未来工作可进一步探索该类结构储能器件在低温条件下的电化学行为与力学稳定性，以评估其在极端环境中的应用潜力，为电动航空及智能结构储能系统的发展提供有益参考。

H. Zhou, J. Wang, L. Shen, et al. “ Graphene–Vanadium Oxide Heterojunction Boosting Electron–Ion Coupling for Ultrahigh Energy Density Carbon Fiber Structural Supercapacitors.” Adv. Mater. (2025): e14323.

1. 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。

2. 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。

3. 胡林峰，东南大学青年首席教授、博士生导师，国家级青年人才。2007年硕士毕业于清华大学材料学院，2010年于日本筑波大学/国立物质材料研究所NIMS获得博士学位，2020年就职于东南大学。主要从事多价金属离子的输运机制及高安全性储能器件研究。在Adv. Mater.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.等期刊发表论文100余篇，他引9500余次，9篇入选ESI高被引论文。入选国家级青年人才、江苏省杰青，荣获中国材料学会一等奖、江苏省科学技术奖一等奖、上海市自然科学一等奖等，兼任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事、江苏省复合材料学会专委会委员、南京市复合材料学会理事。