中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在當(dāng)前能源危機(jī)與“雙碳”的大背景下，新能源汽車(chē)尤其是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)獲得了蓬勃發(fā)展。然而，里程焦慮仍然是電動(dòng)汽車(chē)被廣泛接受的主要制約因素。車(chē)身輕量化和高效儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍探箲]問(wèn)題的有效手段。碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRP）作為一種理想的輕量化材料，在汽車(chē)輕量化結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且，近年來(lái)，受CFRP三明治疊層結(jié)構(gòu)和碳纖維導(dǎo)電性的啟發(fā)，一種集儲(chǔ)能和力學(xué)承載于一體的新型結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器復(fù)合材料（SSC）受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。SSC具有結(jié)構(gòu)/儲(chǔ)能一體化的特性，有望同時(shí)滿足電動(dòng)汽車(chē)等交通工具對(duì)結(jié)構(gòu)承載與高效儲(chǔ)能的雙重需求，因此在新能源汽車(chē)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
與傳統(tǒng)超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理類(lèi)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(shí)，正、負(fù)離子以雙電層的形式存儲(chǔ)于碳纖維電極與SPE的界面從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；同時(shí)，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(fù)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(fù)合材料的聚合物基體，又是電解液的載體，肩負(fù)著載荷傳遞與離子傳導(dǎo)的雙重功能。因此，SSC 儲(chǔ)能性能與力學(xué)承載性能很大程度上取決于SPE的離子電導(dǎo)性能與力學(xué)性能。高性能的SSC要求SPE兼具優(yōu)良的離子電導(dǎo)率及力學(xué)性能。
復(fù)合材料常見(jiàn)的聚合物基體并不具備離子導(dǎo)電能力。SPE主要通過(guò)在樹(shù)脂基體中添加電解液（電解質(zhì)）賦予其導(dǎo)電功能。然而，SPE的力學(xué)性能與離子電導(dǎo)性能往往相互制約。電解液的引入會(huì)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(jìn)一步通過(guò)塑化作用改善聚合物鏈段的運(yùn)動(dòng)能力提高SPE離子電導(dǎo)能力，但也因此不可避免地削弱了其力學(xué)性能。通過(guò)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(xué)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(dǎo)致離子電導(dǎo)率下降。因此，如何通過(guò)SPE內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控，實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能與電導(dǎo)性能的平衡，制備兼具優(yōu)良離子電導(dǎo)性能與力學(xué)性能的SPE是當(dāng)前研制高性能SSC亟需解決的關(guān)鍵難題之一。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員在該領(lǐng)域開(kāi)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(fù)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(jī)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(fù)配是制備SPE的常見(jiàn)方法。一般需要加入有機(jī)溶劑作為離子傳輸?shù)妮d體，同時(shí)通過(guò)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(jī)陽(yáng)離子和有機(jī)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(dǎo)性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好、電化學(xué)窗口寬、揮發(fā)性低、幾乎無(wú)副毒性等優(yōu)點(diǎn)，相比于常規(guī)鋰鹽/有機(jī)溶劑體系的電解液具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且IL還具備可自發(fā)與樹(shù)脂基體通過(guò)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(rèn)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(jiàn)的離子液體。
3、納米增強(qiáng)改性型SPE
SPE的離子導(dǎo)電性能與力學(xué)性能往往相互掣肘、相互矛盾。SPE需要通過(guò)電解液提供離子電導(dǎo)，然而電解液對(duì)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(xué)強(qiáng)度。為了賦予SPE優(yōu)良的離子導(dǎo)電性，并更好地保持其力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外研究人員發(fā)展了通過(guò)多功能納米增強(qiáng)填料改性協(xié)同優(yōu)化SPE離子電導(dǎo)性能與力學(xué)性能的新方法。一方面，納米增強(qiáng)顆粒既可有效傳應(yīng)力，又可在SPE內(nèi)部充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn)，誘導(dǎo)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(xué)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(dú)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(jìn)了離子的快速傳輸。
除了無(wú)機(jī)納米增強(qiáng)填料，Park團(tuán)隊(duì)還選用具有導(dǎo)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(qiáng)體改性SPE。
4、結(jié)語(yǔ)與展望
SSC作為一種多功能的復(fù)合材料，集能量存儲(chǔ)與力學(xué)承載于一體，在新能源汽車(chē)、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(chǔ)與結(jié)構(gòu)承載性能。開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異離子電導(dǎo)性能與力學(xué)性能的SPE是當(dāng)前研制高性能SSC面臨的主要挑戰(zhàn)之一。經(jīng)過(guò)多年的研究和攻關(guān)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了鋰鹽/有機(jī)溶劑電解液型SPE、離子液體電解液型SPE、納米增強(qiáng)改性型SPE，并基于這些SPE制備了具有優(yōu)良儲(chǔ)能性能與力學(xué)承載性能的SSC，甚至獲得了初步的應(yīng)用驗(yàn)證。但總體而言，現(xiàn)有SSC的儲(chǔ)能水平、力學(xué)性能依然較低，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。這很大程度上是因?yàn)镾PE的離子電導(dǎo)率和力學(xué)性能依然沒(méi)有很好地得到協(xié)同改善。目前，鮮有SPE能在離子電導(dǎo)率達(dá)到10-2 S/cm水平的同時(shí)具備優(yōu)異的力學(xué)性能?，F(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(shí)現(xiàn)。電解液對(duì)聚合物基體的相分離作用以及對(duì)聚合物基體的塑化行為不可避免地會(huì)弱化SPE的力學(xué)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(qiáng)韌的力學(xué)性能。篩選合適的聚合物基體構(gòu)筑強(qiáng)韌化的骨架結(jié)構(gòu)、結(jié)合仿真計(jì)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(qiáng)填料改性，可能是未來(lái)SSC專(zhuān)用高性能SPE研制的發(fā)展方向。
