试想一下，一个手机壳不但可以保护手机，而且还可以储存能量；又或者说，一辆电动汽车它的车门和地板可以储存能量以供汽车的推进。由于加州大学圣地亚哥分校的研究人员最近取得的进步，这些未来的概念可能有一天会成为现实。这些研究人员已经成功地制造了一种结构超级电容器，这种设备实现了结构支撑与储能能力相结合。这项创新可能会在不增加重量的情况下提高电子设备和汽车的功率容量，从而延长单次充电的电池寿命。
结构超级电容器的概念并不算新颖，但长期以来的挑战是创造一种既能承受机械负载又能有效存储电能的单一设备。传统的超级电容器在储能方面非常出色，但缺乏作为结构部件所需的机械强度，相反，结构材料可以提供支撑，但在储能能力方面往往不足。如今，来自加州大学圣地亚哥分校Tse Nga（Tina）Ng领导的团队与同校的Zhang Xinyu教授合作，成功地通过一种突破性的结构超级电容器实现了“两全其美”，他们的研究成果最近发表在《Science Advances》杂志上，展示了一种将机械强度与高效储能相结合的解决方案。
这艘微型船是由一种结构超级电容器制成的，这种材料既能提供结构支撑，又能储存能量为了验证他们的设计概念，研究人员使用他们的结构超级电容器建造了一艘微型太阳能船，他们把超级电容器做成船壳体，然后集成了一个小型电机和电路。这个电路被连接到一个太阳能电池上。当暴露在阳光下时，太阳能电池为超级电容器充电，超级电容器反过来又为船的马达提供动力。在测试运行中，该船有效地在水中航行，展示了这种创新储能解决方案的实用性。该设备的组成包括典型的超级电容器元件：一对由电解质分隔的电极表面，有助于离子在电极之间流动。该设备的与众不同之处在于精心选择了旨在增强机械强度和电化学性能的材料，这个装置中的电极由复杂的碳纤维编物制成。这种碳纤维织物不仅具有相当大的结构强度，而且是设备整体稳定性的基础。此外，它涂有一种独特的混合物，包括导电聚合物和还原氧化石墨烯，这种组合显著增强了离子流动并提高了储能能力。碳纤维表面的氧化还原聚合物涂层（氧化石墨烯）增加了电极的重量电容，而环氧树脂基体中的离子渗滤网络在功能梯度电解质中提供了高离子导电性和机械强度另一个关键部件是固体电解质，它是一种由环氧树脂和一种称为聚环氧乙烷的导电聚合物组成的复合材料。环氧树脂有助于结构的完整性，而聚环氧乙烷的加入通过在整个电解质中形成孔隙网络来促进离子迁移，从而进一步提高器件的性能。该创新中的一个主要设计元素是故意改变电解液中聚乙烯氧化物的浓度，从而产生浓度梯度。电极附近的区域含有较高浓度的聚环氧乙烷。这种设置有助于离子在电极和电解质之间的界面上更快、更不受阻碍地移动，最终提高电化学性能。
然而，值得注意的是，较高的聚环氧乙烷浓度会导致材料内出现更多孔隙，从而可能损害其结构完整性。为了达到微妙的平衡，电解质的中心部分采用较低的聚环氧乙烷浓度。这确保了它保持结构稳定性，同时仍然促进离子的有效流动。尽管这一成就标志着结构储能领域向前迈出了重要一步，但研究人员承认，未来仍有大量工作要做。此外，与传统电池相比，它们通常表现出较低的能量密度。平衡这些特性以实现卓越的结构超级电容器仍然是一个重大挑战。原文文献：Yao, L., et al. (2023). Structural pseudocapacitors with reinforced interfaces to increase multifunctional efficiency. Science Advances. doi.org/10.1126/sciadv.adh0069.
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