中國儲能網(wǎng)訊：在當前能源危機與“雙碳”的大背景下，新能源汽車尤其是電動汽車產(chǎn)業(yè)獲得了蓬勃發(fā)展。然而，里程焦慮仍然是電動汽車被廣泛接受的主要制約因素。車身輕量化和高效儲能系統(tǒng)的開發(fā)是解決電動汽車里程焦慮問題的有效手段。碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）作為一種理想的輕量化材料，在汽車輕量化結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且，近年來，受CFRP三明治疊層結(jié)構(gòu)和碳纖維導電性的啟發(fā)，一種集儲能和力學承載于一體的新型結(jié)構(gòu)超級電容器復合材料（SSC）受到學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。SSC具有結(jié)構(gòu)/儲能一體化的特性，有望同時滿足電動汽車等交通工具對結(jié)構(gòu)承載與高效儲能的雙重需求，因此在新能源汽車等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
與傳統(tǒng)超級電容器的儲能原理類似，SSC由碳纖維結(jié)構(gòu)電極、絕緣隔膜（玻璃纖維等）和固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）組成，充電時，正、負離子以雙電層的形式存儲于碳纖維電極與SPE的界面從而實現(xiàn)儲能；同時，碳纖維結(jié)構(gòu)電極、玻璃纖維隔膜與SPE組成的層合結(jié)構(gòu)復合材料起到支撐承載作用。SPE作為SSC的重要組成部分，既是復合材料的聚合物基體，又是電解液的載體，肩負著載荷傳遞與離子傳導的雙重功能。因此，SSC 儲能性能與力學承載性能很大程度上取決于SPE的離子電導性能與力學性能。高性能的SSC要求SPE兼具優(yōu)良的離子電導率及力學性能。
復合材料常見的聚合物基體并不具備離子導電能力。SPE主要通過在樹脂基體中添加電解液（電解質(zhì)）賦予其導電功能。然而，SPE的力學性能與離子電導性能往往相互制約。電解液的引入會因相分離作用在聚合物基體中形成大量孔隙結(jié)構(gòu)，并進一步通過塑化作用改善聚合物鏈段的運動能力提高SPE離子電導能力，但也因此不可避免地削弱了其力學性能。通過在聚合物基體中引入剛性結(jié)構(gòu)的分子鏈段可提高SPE的力學性能，但離子在聚合物基體中的遷移與傳輸能力又受抑制，導致離子電導率下降。因此，如何通過SPE內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控，實現(xiàn)其力學性能與電導性能的平衡，制備兼具優(yōu)良離子電導性能與力學性能的SPE是當前研制高性能SSC亟需解決的關(guān)鍵難題之一。
近年來，國內(nèi)外研究人員在該領(lǐng)域開展了大量研究，逐步發(fā)展了基于鋰鹽電解液的SPE、基于離子液體電解液的SPE以及納米填料復合改性的SPE，這些SPE已經(jīng)初步在SSC的研制中獲得了應(yīng)用。
1、鋰鹽/有機溶劑電解液型SPE
將鋰鹽作為電解質(zhì)與聚合物基體共混復配是制備SPE的常見方法。一般需要加入有機溶劑作為離子傳輸?shù)妮d體，同時通過相分離作用在聚合物基體內(nèi)部構(gòu)筑雙連續(xù)相的結(jié)構(gòu)，為鋰鹽的離子傳輸提供通路。三氟甲磺酸鋰（LiTf）、高氯酸鋰（LiClO4）、雙（三氟甲基磺酰）亞胺鋰（LiTFSI）是制備SPE常用的幾種鋰鹽。
2、離子液體電解液型SPE
離子液體（IL）即室溫熔融鹽，主要由有機陽離子和有機陰離子構(gòu)成，兼具電解質(zhì)鹽與溶劑的雙重作用，具有離子電導性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好、電化學窗口寬、揮發(fā)性低、幾乎無副毒性等優(yōu)點，相比于常規(guī)鋰鹽/有機溶劑體系的電解液具有明顯優(yōu)勢，而且IL還具備可自發(fā)與樹脂基體通過相分離作用構(gòu)筑雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)的能力。因而IL被認為是制備SPE的理想電解液，已得到廣泛研究。四丁基六氟磷酸銨（TBAPF6）、1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽（EMIMTFSI）是制備SPE常見的離子液體。
3、納米增強改性型SPE
SPE的離子導電性能與力學性能往往相互掣肘、相互矛盾。SPE需要通過電解液提供離子電導，然而電解液對聚合物基體的相分離造孔作用、塑化作用又不可避免地弱化了SPE力學強度。為了賦予SPE優(yōu)良的離子導電性，并更好地保持其力學性能，國內(nèi)外研究人員發(fā)展了通過多功能納米增強填料改性協(xié)同優(yōu)化SPE離子電導性能與力學性能的新方法。一方面，納米增強顆粒既可有效傳應(yīng)力，又可在SPE內(nèi)部充當應(yīng)力集中點，誘導聚合物基體產(chǎn)生大量的銀紋吸收能量，從而提高SPE的力學性能；另一方面，納米填料可與SPE的聚合物基體形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，降低結(jié)晶度，有利于離子的傳輸，一些具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的納米填料（如介孔SiO2、介孔TiO2）甚至可為離子的傳輸提供額外的通道，促進了離子的快速傳輸。
除了無機納米增強填料，Park團隊還選用具有導電功能的聚苯胺納米纖維（PANINF）作為結(jié)構(gòu)/功能一體化的納米增強體改性SPE。
4、結(jié)語與展望
SSC作為一種多功能的復合材料，集能量存儲與力學承載于一體，在新能源汽車、航空航天等高端科技領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。作為SSC 的重要組成部分，SPE很大程度上決定了SSC的能量存儲與結(jié)構(gòu)承載性能。開發(fā)具有優(yōu)異離子電導性能與力學性能的SPE是當前研制高性能SSC面臨的主要挑戰(zhàn)之一。經(jīng)過多年的研究和攻關(guān)，人們已經(jīng)開發(fā)了鋰鹽/有機溶劑電解液型SPE、離子液體電解液型SPE、納米增強改性型SPE，并基于這些SPE制備了具有優(yōu)良儲能性能與力學承載性能的SSC，甚至獲得了初步的應(yīng)用驗證。但總體而言，現(xiàn)有SSC的儲能水平、力學性能依然較低，距離實際應(yīng)用尚有一定距離。這很大程度上是因為SPE的離子電導率和力學性能依然沒有很好地得到協(xié)同改善。目前，鮮有SPE能在離子電導率達到10-2 S/cm水平的同時具備優(yōu)異的力學性能。現(xiàn)有SPE的制備主要采用電解液與聚合物基體共混的方式實現(xiàn)。電解液對聚合物基體的相分離作用以及對聚合物基體的塑化行為不可避免地會弱化SPE的力學性能。
高性能SPE后續(xù)的制備研究仍然需要從其微結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，一方面構(gòu)筑適于離子快速遷移輸送的連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，另一面使聚合物基體具有更強韌的力學性能。篩選合適的聚合物基體構(gòu)筑強韌化的骨架結(jié)構(gòu)、結(jié)合仿真計算優(yōu)化SPE內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)（包括形狀、尺寸）、并采用多功能納米增強填料改性，可能是未來SSC專用高性能SPE研制的發(fā)展方向。
