550倍的电容 | 石墨烯气凝胶改性碳纤维增强复合结构超级电容器，即是电容器又是结构材料！
澳大利亚相关研究人员展示了使用浸渍在碳纤维 (CF) 织物上的石墨烯气凝胶 (GA) 的连续网络来制备碳纤维增强复合材料的结构超级电容器的设计。GA 是通过氧化石墨烯前驱体的水热工艺合成的，该工艺使 GA 能够热还原和自组装到 CF 织物上。采用树脂灌注技术，使用GA改性CF、静电纺丝隔膜和离子液体改性环氧电解质，制备了复合超级电容器。用高度互连和多孔的 GA 对 CFs 进行改性，显著改善了 CFs 的表面积，从而获得了优异的电子传输性能。含28% GA的CF 织物在1mVs-1的电容值为92.5 F g−1，是纯CF织物电容的550倍，在10000次充放电循环后电容保持率为98%。GA改性CF增强复合材料的电容最高可达56 mF g−1。本研究为碳纤维增强复合材料的储能应用提供了一种实用的方法。
结构复合材料的储能技术越来越受到人们的关注，其中包括多功能复合材料的使用，由于其优越的电气、化学、热、机械和电磁性能，这种复合材料不仅具有结构上的优点，还具有“双重功能”。
近日，澳大利亚斯威本科技大学的Nisa Salim等相关研究人员展示了一种创新的方法来创造“结构电池和超级电容器”，既可作为轻巧而坚固的结构部件，也可作为电池。研究人员开发了新的方法，使碳纤维复合材料成为结构超级电容器，使其有望在未来的运输系统中实现质量、空间和节能的多功能功能。
通常，超级电容器由两个电极、电解质和隔膜组成。同样，结构超级电容器是通过排列改性碳纤维织物电极来制造的，电极由绝缘织物或聚合物膜隔开，并注入聚合物电解质。碳纤维复合材料可以在储存（和输送）电能的同时承载机械载荷。然而，碳纤维具有非常有限的有效表面积，这使得它们几乎无法储存实际应用所需的大量电化学能量。实现碳纤维的高表面积被认为是实现其作为电化学储能电极材料潜力的最关键的挑战之一。
存在不同的技术来提高 CF 织物的表面积，例如活化、碳纳米管接枝技术和碳纤维表面涂层技术。活化CF 具有高表面积，通常用作超级电容器的电极材料。然而，由于石墨化程度低和碳纤维表面的蚀刻，碳纤维的活化导致其力学性能显著下降。此外，这种活化过程是不经济的，因为它需要延长制备时间和使用金属氧化物。
采用不同的碳材料对碳纤维进行表面改性。与膨胀石墨、碳纳米管和活性炭相比，石墨烯基材料具有较高的机械强度、相对易分散、高比表面积和高导电性等优点。为了避免石墨烯片的自聚集，通常将其组装成三维建筑结构，以保持其较高的比表面积。在最近的研究中，石墨烯气凝胶(GA)因其微观和宏观多孔结构、三维互联框架良好的力学稳定性、以及可作为单片衬底加载各种纳米材料而被广泛应用于超级电容器应用中。石墨烯气凝胶是通过将石墨烯纳米片组装成交联网络而制备的。在高浓度氧化石墨烯溶液中，水热过程中的π-π堆积过程和冷冻干燥过程使得石墨烯气凝胶在范德华力作用下物理接触并形成稳定的三维网络结构。
本研究以未经过任何活化或其他表面修饰的CFs为基底，开发了一种基于石墨烯气凝胶(GA)修饰CF电极的多功能结构超级电容器。通过探索水相氧化石墨烯的水热自组装工艺制备了GA，并将其与碳纤维(CFs)结合以提高比表面积，最终提高结构超级电容器的存储容量。采用不同的负载量来确定GA负载对超级电容器电化学性能的影响。由于静电纺丝纳米薄膜的高孔隙率和极低的厚度，从而最大限度地降低了结构超级电容器的内阻，因此被用作隔膜材料。此外，它具有离子导电性和电绝缘性，这使得它适合于隔膜功能。使用薄的静电纺纳米纤维隔膜也防止了设备中电极的短路。
◾图片说明
图1. CF织物上GA负载示意图
图2. (a) 复合材料制备示意图，(b) GA 涂层 CF 增强复合超级电容器。
图 3. (a) GA, (b)纯CF, (c) GA 改性 CF, (d) 复合结构的 SEM 图像。
图 4. GA 改性碳纤维增强复合材料的示意图
◾文献信息
Graphene aerogel modified carbon fiber reinforced composite structural supercapacitors
Karamat Subhani, Xing Jin, Peter J. Mahon, Alan Kin Tak Lau, Nisa V. Salim *
Composites Communications
https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100663