最近报道的多孔碳纤维研究的最新进展显示了这种材料如何在工业环境中使用，标志着从理论到应用的重要一步。
国立科学学院化学助理教授，高分子创新研究所成员郭国“Greg”Liu一直致力于开发具有均匀多孔结构的碳纤维。在最近发表在“ 科学进展 ”杂志上的一篇期刊文章中，刘详细介绍了他的实验室如何使用嵌段共聚物制造碳纤维，其中孔均匀分散在整个地方，类似于海绵。
就在一周之后，刘又发表了另一篇文章，这次是在Nature Communications。新文章展示了刘氏多孔碳纤维如何能够实现高能量密度和高电子/离子充电速率，这在电化学能量存储装置中通常是相互排斥的。
“这是与工业相关的下一步，”刘说。“我们希望建立一个工业友好型工艺。现在，工业界应该认真研究碳纤维不仅是一种结构材料，还是汽车，飞机等能源存储平台。”
介绍赝电容材料
碳纤维已广泛用于航空航天和汽车工业，因为它们在各种领域具有高性能，包括机械强度和重量。刘的长期愿景是用多孔碳纤维制造外部汽车外壳，这些碳纤维可以在毛孔内储存能量。
但碳本身是不够的。虽然碳是结构上的主要材料，但碳不具有足够高的能量密度，无法为高要求的应用创造超级电容器。
目前的行业标准将碳与所谓的赝电容材料结合在一起，这解除了存储大量能量的能力，但却引发了另一个缓慢充放电速率的问题。
由于其低成本和合理的性能，常用的赝电容材料是氧化锰(MnO 2)。为了将MnO 2加载到碳纤维或其他材料上，Liu将纤维浸泡在KMnO 4前体的溶液中。然后前体与碳反应，蚀刻掉一层薄薄的碳，并锚定在剩余的碳上，形成厚度约为2nm的薄涂层。
但是工业面临着MnO 2的挑战。MnO 2太少意味着存储容量太低。太多的MnO 2会产生太厚的电绝缘涂层。更糟糕的是，它减缓了离子的传输。两者都有助于减缓充放电速率。
“我们希望将碳与赝电容材料耦合，因为它们共同具有比纯碳高得多的能量密度。现在的问题是如何解决电子和离子电导率的问题，”刘说。
然而，刘发现他的多孔碳纤维可以克服这种僵局。在他的实验室中进行的测试表明两者都是最好的：高负载的MnO 2和持续的高充电和放电速率。
Liu的实验室证明，在性能下降之前，它们可以加载高达7 mg / cm 2的MnO 2。这是工业目前可以利用的MnO 2量的两倍或几乎三倍。
“我们已经达到了这种材料理论极限的84%，质量载荷为7 mg / cm 2，”刘说。“如果加载7毫克/厘米2的其他材料，你将无法达到此目的。”
短期申请
按照刘的实验室发布的结果，由外壳驱动的汽车可能比我们想象的要早，但是刘晃下了这个想法。
“从长远来看，我们可以用电动超级电容器汽车取代汽油，”刘说。“目前，我们所能做的最低限度就是利用它作为汽车的储能部件。”
刘说，短期应用可以利用碳纤维部件在短时间内提供大量能源，以加快汽车加速。
但刘还将目光投向汽车行业以外的其他运输应用。
“如果你想让无人机为亚马逊提供产品，你希望无人机能够承载尽可能多的重量，而你希望无人机尽可能轻便，”刘说。“基于碳纤维的无人机可以完成这两项工作。碳纤维是用于运输货物的坚固结构材料，它们是储能材料，为运输提供动力。”
刘的实验室对这种材料的研究正在加速，他说他还有更多的想法需要测试。
“我认为多孔碳纤维是一种平台材料，”刘说。“前两篇论文，我们专注于车辆的储能。但我们相信这种材料可以做得更多。希望我们能够尽快讲述更多故事。”