最近報(bào)道的多孔碳纖維研究的最新進(jìn)展顯示了這種材料如何在工業(yè)環(huán)境中使用，標(biāo)志著從理論到應(yīng)用的重要一步。

國立科學(xué)學(xué)院化學(xué)助理教授，高分子創(chuàng)新研究所成員郭國“Greg”Liu一直致力于開發(fā)具有均勻多孔結(jié)構(gòu)的碳纖維。在最近發(fā)表在“ 科學(xué)進(jìn)展 ”雜志上的一篇期刊文章中，劉詳細(xì)介紹了他的實(shí)驗(yàn)室如何使用嵌段共聚物制造碳纖維，其中孔均勻分散在整個(gè)地方，類似于海綿。

就在一周之后，劉又發(fā)表了另一篇文章，這次是在Nature Communications。新文章展示了劉氏多孔碳纖維如何能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度和高電子/離子充電速率，這在電化學(xué)能量存儲裝置中通常是相互排斥的。

“這是與工業(yè)相關(guān)的下一步，”劉說。“我們希望建立一個(gè)工業(yè)友好型工藝?，F(xiàn)在，工業(yè)界應(yīng)該認(rèn)真研究碳纖維不僅是一種結(jié)構(gòu)材料，還是汽車，飛機(jī)等能源存儲平臺。”

介紹贗電容材料

碳纖維已廣泛用于航空航天和汽車工業(yè)，因?yàn)樗鼈冊诟鞣N領(lǐng)域具有高性能，包括機(jī)械強(qiáng)度和重量。劉的長期愿景是用多孔碳纖維制造外部汽車外殼，這些碳纖維可以在毛孔內(nèi)儲存能量。

但碳本身是不夠的。雖然碳是結(jié)構(gòu)上的主要材料，但碳不具有足夠高的能量密度，無法為高要求的應(yīng)用創(chuàng)造超級電容器。

目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將碳與所謂的贗電容材料結(jié)合在一起，這解除了存儲大量能量的能力，但卻引發(fā)了另一個(gè)緩慢充放電速率的問題。

由于其低成本和合理的性能，常用的贗電容材料是氧化錳(MnO 2)。為了將MnO 2加載到碳纖維或其他材料上，Liu將纖維浸泡在KMnO 4前體的溶液中。然后前體與碳反應(yīng)，蝕刻掉一層薄薄的碳，并錨定在剩余的碳上，形成厚度約為2nm的薄涂層。

但是工業(yè)面臨著MnO 2的挑戰(zhàn)。MnO 2太少意味著存儲容量太低。太多的MnO 2會產(chǎn)生太厚的電絕緣涂層。更糟糕的是，它減緩了離子的傳輸。兩者都有助于減緩充放電速率。

“我們希望將碳與贗電容材料耦合，因?yàn)樗鼈児餐哂斜燃兲几叩枚嗟哪芰棵芏取，F(xiàn)在的問題是如何解決電子和離子電導(dǎo)率的問題，”劉說。

然而，劉發(fā)現(xiàn)他的多孔碳纖維可以克服這種僵局。在他的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的測試表明兩者都是最好的：高負(fù)載的MnO 2和持續(xù)的高充電和放電速率。

Liu的實(shí)驗(yàn)室證明，在性能下降之前，它們可以加載高達(dá)7 mg / cm 2的MnO 2。這是工業(yè)目前可以利用的MnO 2量的兩倍或幾乎三倍。

“我們已經(jīng)達(dá)到了這種材料理論極限的84%，質(zhì)量載荷為7 mg / cm 2，”劉說。“如果加載7毫克/厘米2的其他材料，你將無法達(dá)到此目的。”

短期申請

按照劉的實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的結(jié)果，由外殼驅(qū)動(dòng)的汽車可能比我們想象的要早，但是劉晃下了這個(gè)想法。

“從長遠(yuǎn)來看，我們可以用電動(dòng)超級電容器汽車取代汽油，”劉說。“目前，我們所能做的最低限度就是利用它作為汽車的儲能部件。”

劉說，短期應(yīng)用可以利用碳纖維部件在短時(shí)間內(nèi)提供大量能源，以加快汽車加速。

但劉還將目光投向汽車行業(yè)以外的其他運(yùn)輸應(yīng)用。

“如果你想讓無人機(jī)為亞馬遜提供產(chǎn)品，你希望無人機(jī)能夠承載盡可能多的重量，而你希望無人機(jī)盡可能輕便，”劉說。“基于碳纖維的無人機(jī)可以完成這兩項(xiàng)工作。碳纖維是用于運(yùn)輸貨物的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)材料，它們是儲能材料，為運(yùn)輸提供動(dòng)力。”

劉的實(shí)驗(yàn)室對這種材料的研究正在加速，他說他還有更多的想法需要測試。

“我認(rèn)為多孔碳纖維是一種平臺材料，”劉說。“前兩篇論文，我們專注于車輛的儲能。但我們相信這種材料可以做得更多。希望我們能夠盡快講述更多故事。”