就像漫威漫畫《黑豹》中穿的充電套裝一樣，加州大學舊金山分校的研究人員利用美國宇航局的先進技術，為電動汽車開發了一種動力套裝，它像鋼鐵一樣堅固，比鋁更輕，有助于提高汽車的動力容量。
Kumar 和 Pandey 是 UCF 博士生，Thomas 是 UCF 納米科學技術中心和材料科學與工程系的教授。
UCF 研究人員 Kowsik Sambath Kumar、Jayan Thomas 和 Deepak Pandey 展示了他們開發的輕質超級電容器電池混合複合材料。
目前的電動汽車 (EV) 面臨許多挑戰，例如充電容量有限、充電裡程低和充電時間長。新研究通過開發一種基于雙功能超級電容器的儲能碳纖維增強聚合物 (e-CFRP)來解決這些問題，該聚合物可以存儲電能并用作電動汽車身外殼的結構部件。
這是通過開發一種獨特的設計來實作的，垂直排列的石墨烯片附着在碳纖維電極上，在碳纖維電極上沉積不同的金屬氧化物，以獲得高能量密度電極。采用環氧樹脂和聚丙烯酰胺凝膠電解質交替層狀結構制備了高強度多層e-CFRP元件。
如此開發的e-CFRP在0.3 mm厚度時的面能量密度為0.31 mWh cm-2，抗拉強度為518 MPa，抗彎強度為477 MPa，沖擊強度為2666J m-1。
為了展示它在電動汽車上的應用，一輛玩具汽車的車身面闆是用e-CFRP制作的，并且該玩具汽車能夠使用儲存在其架構内的能量進行操作。此外，當與太陽能電池相結合時，這種複合材料可為物聯網裝置提供動力，顯示其在通信衛星中的可行性。
電極制備和通電複合材料制造和應用示意圖。a-c）電極的制造。d-f) 使用電極制造帶電複合材料及其在車身原型開發中的應用。
這一進展最近作為《Small》雜志的封面故事出現，可能會應用于一系列需要輕型能源的技術，從電動汽車到航天器、飛機、無人機、便攜式裝置和可穿戴技術。
“我們的想法是使用外殼來儲存能量，以補充儲存在電池中的能量，”該研究的合作者、UCF 納米科學技術中心和材料科學與工程系的教授、團隊負責人 Jayan Thomas 說。
他說：“這種複合材料的優點是可以減輕汽車的重量，并增加每次充電的行駛裡程。”“它甚至比鋼還結實，但要輕得多。”
當這種材料被用作汽車外殼時，可以使電動汽車的行駛裡程增加25%，這意味着每充電200英裡的汽車可以多行駛50英裡，并減輕汽車的總重量。
作為一個超級電容器，它還可以提升電動汽車的動力，為它提供額外的推力，使它在3秒内從0加速到60英裡/小時。
這些材料可以用作立方體衛星的架構、外星球栖息地的結構，甚至可以用作未來眼鏡的一部分，例如混合現實和虛拟現實耳機。
Roberson 說，在汽車上，超級電容器複合材料将通過充電（如電池）以及汽車刹車時獲得電力。
“它的充放電循環壽命是電動汽車電池的 10 倍，”他說，“使用的材料也是無毒、不易燃的，這對于發生事故時乘客的安全非常重要”。
Thomas說：“與過去的方法相比，這是一個巨大的進步，過去的方法存在有毒材料、易燃有機電解質、低壽命周期或性能差的問題。”
由于其使用多層碳纖維的獨特設計，該材料具有顯著的沖擊強度和彎曲強度，這對承受汽車碰撞至關重要，同時也具有顯著的抗拉強度。
為了建構這種材料，研究人員制造了帶正電和帶負電的碳纖維層，當它們以交替模式堆疊和連接配接時，形成了一種強大的儲能複合材料。
用于在交叉編織碳纖維墊上沉積活性材料的奇偶位置模式。b）陽極和陰極碳纖維墊的堆疊模式，以制造大面積的通電複合材料。
附着在碳纖維層上的納米級石墨烯片可提高電荷存儲能力，而沉積在附着電極上的金屬氧化物可提高電壓并提供更高的能量密度。Thomas 說，這為超級電容器-電池混合動力車提供了前所未有的儲能能力和充電周期。
該研究的第一作者、Thomas 實驗室的博士生 Deepak Pandey 緻力于複合材料的制備、成型和優化，以及開發将金屬氧化物添加到碳石墨烯帶的方法。
該研究的合作者、Thomas 實驗室的博士生 Kowsik Sambath Kumar開發了一種将納米石墨烯垂直排列在碳纖維電極上的方法。
Kumar 說，這種超級電容器複合材料最重要的發展之一是它的重量輕。
“現在在電動汽車中，電池占重量的 30% 到 40%，”他說。“使用這種儲能複合材料，我們可以在不增加電池重量的情況下增加行駛裡程，進一步減輕車輛重量，同時保持較高的拉伸、彎曲和沖擊強度。每當你減輕重量時，你就可以增加續航裡程，是以這在電動汽車和航空領域有着巨大的應用。”
“用這種複合材料制造立方衛星将使衛星重量更輕，并有助于消除笨重的電池組，”他說。“這可以為每次發射節省數千美元。此外，通過拆除大電池獲得的自由體積可以幫助裝入更多傳感器和測試裝置，進而增加衛星的功能，” Pandey 說。“超級電容器-電池混合行為是立方體衛星的理想選擇。因為當衛星運作在地球有陽光照射的一側時，它可以在幾分鐘内充電。
Roberson 表示，該技術目前處于 5 級技術就緒水準，這意味着它已經在相關環境中進行了測試然後才會在真實環境中進行測試，例如在太空飛行中進行測試，這将是 6 級測試。
他說，為了通過最後一級的測試，即第9級，并達到商業環境，它将需要進一步的開發和測試，重點放在商業應用程式上。
文獻資訊：
Deepak Pandey et al,Energized Composites for Electric Vehicles: A Dual Function Energy‐Storing Supercapacitor‐Based Carbon Fiber Composite for the Body Panels,Small(2022).DOI: 10.1002/smll.202107053