多孔碳纤维研究在汽车行业中使用的一步

最近报道的多孔碳纤维研究的最新进展表明，这种材料可以在工业环境中使用，标志着从理论到应用的重要一步。

Guoliang“Greg”刘，科学学院化学助理教授和大分子创新研究所的成员，一直在致力于用均匀的多孔结构开发碳纤维。亚博老虎机网登录在最近在科学的杂志上发表的文章，刘详细介绍了他的实验室使用的嵌段共聚物在均匀地散射的中亚博老虎机网登录孔中产生碳纤维，类似于海绵。

仅仅一周后，刘发表了另一篇文章，这次是在《自然通讯》（Nature Communications）上。这篇新文章展示了刘的多孔碳纤维如何实现高能量密度和高电子/离子充电率，这在电化学储能装置中通常是相互排斥的。

“这是与行业相关的下一步，”刘说。“我们希望制作工业友好的过程。现在的行业不仅应该严重地看待碳纤维，不仅是结构材料，而且是汽车，飞机和其他人的能量存储平台。“

介绍伪电容材料亚博网站下载

碳纤维因其在多个领域（包括机械强度和重量）的高性能，已被广泛应用于航空航天和汽车工业。刘的长期愿景是用多孔碳纤维制造汽车外壳，可在孔隙中储存能量。

但是碳本身就不足以。虽然在结构性素线上，碳不具有足够高的能量密度以产生高苛刻的应用的超级电容器。

目前的行业标准是将碳与所谓的假电容材料耦合在一起，这种材料可以释放储存大量能量的能力，但会导致另一个问题，即充电-放电速率缓慢。亚博网站下载

一种常用的假电容材料是氧化锰（MnO_2.）由于其成本低，性能不佳。加载mno._2.在碳纤维或其他材料上，刘将纤维浸泡在高锰酸钾溶液中_4.前体。然后将前体用碳反应，蚀刻薄薄的碳层，并将其锚固到碳的其余部分上，形成厚度为约2nm的薄涂层。

但行业面临着MNO的挑战_2.. 太少MnO_2.表示存储容量太低。太多的mno._2.产生太厚的厚衣，即电绝缘。更糟糕的是，它减慢了离子的运输。两者都有助于放电速度慢。

“我们想把碳和假电容材料结合起来，因为它们的能量密度比纯碳高得多。现在的问题是如何解决电子和离子亚博网站下载的导电性问题，”刘说。

然而，刘发现他的多孔碳纤维可以克服这种僵模。他的实验室的测试表明，两全其美：高负荷的MNO_2.并持续高充电和卸料率。

刘的实验证明他们可以负载高达7毫克/厘米^2.mno._2.在性能下降之前。这是MnO数量的两倍或近三倍_2.该行业目前可以利用。

“在7 mg/cm的质量负荷下，我们已经达到了该材料理论极限的84%^2.“如果你的体重是7毫克/厘米，”刘说^2.对于其他材料，您将亚博网站下载无法达到此目标。”

短期应用

按照刘的实验室发表的结果，由外壳驱动的汽车可能会比我们想象的更早出现，但刘对这个想法进行了刹车。

“在长期的愿景中，我们可以用只需电超电卡轿车取代汽油，”刘说。“此时，我们所能做的最少就是利用这一点作为汽车的能量存储部分。”

刘说，较短的应用程序可以利用碳纤维部件在短时间内提供大量的能量，以加快汽车更快。

但刘也在远远超出汽车工业进入其他运输应用。

刘说：“如果你想让无人机为亚马逊提供产品，你需要无人机承载尽可能多的重量，并且你需要无人机尽可能轻。”。“基于碳纤维的无人机可以完成这两项任务。碳纤维是运载货物的坚固结构材料，也是为运输提供动力的储能材料。”亚博网站下载

对这种材料的研究正在加速刘的实验室，他说他还有更多的想法来测试。

“我相信多孔碳纤维是一种平台材料，”刘说。“前两篇论文，我们专注于汽车储能。但我们相信这种材料可以做得更多。希望我们能很快讲述更多的故事。”

论文的第一作者是刘天宇，他是刘实验室的博士后助理。参与研究的还有周正平和郭一晨，两位前博士后助理，以及郭栋，化学系三年级的博士生。

来源：https://vt.edu/