盖世汽车讯 想象一下，一部智能手机的外壳不仅起到保护作用，还可以充当蓄电器（reservoir of electricity），或者电动汽车（EV）的车门和地板可以储存能量并提供前进动力。受益于最近的研究进展，未来此类技术可能成为现实。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

据外媒报道，加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的研究人员开发出结构超级电容器——一种可以同时提供结构支撑和储能能力的装置。这种设备可以在不额外增加重量的情况下为电子产品和车辆提供更多电量，从而提高单次充电续航时间。

结构超级电容器不算是全新概念，但如何创建既能有效承受机械载荷又可以大量存储电能的单一设备一直存在挑战。一方面，传统超级电容器具有卓越的储能能力，但缺乏作为结构部件的机械强度。另一方面，结构材料可以提供支撑，但储能能力不足。现在，由加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程系教授Tse Nga (Tina) Ng和Xinyu Zhang教授合作领导的团队在开发新型结构超级电容器方面取得全新成果。

作为概念验证，研究人员利用其结构超级电容器建造了一艘微型太阳能船。他们将超级电容器模制成船体，然后装上小型电机和电路，并将该电路连接到太阳能电池。当暴露在阳光下时，太阳能电池为超级电容器充电，而超级电容器可以为船上的电机提供动力。在测试过程中，该船能够在水面上移动，从而验证这种创新储能解决方案的效力。

该设备由标准超级电容器组件组成，包括一对由电解质隔开的电极表面和电解质（有利于离子在电极之间流动）。其独特之处在于所选择的材料组合可以提高机械强度和电化学性能。两个电极由碳纤维编织成的织物制成，可以提供较高的结构强度。另外，碳纤维织物上面还包覆了一层由导电聚合物和还原氧化石墨烯组成的特殊混合物，从而大幅增强离子流动和储能能力。

另一关键成分是固体电解质，即由环氧树脂和聚环氧乙烷导电聚合物组成的混合物。其中环氧树脂可以提供结构支撑，而加入聚环氧乙烷可以在整个电解质中形成孔隙网络，从而促进离子迁移。

关键设计特征在于电解质中聚环氧乙烷（polyethylene oxide）的浓度差异，从而产生浓度梯度。靠近电极的区域具有较高浓度的聚环氧乙烷。这种结构有助于离子在电极-电解质界面上更快、更自由地流动，从而提高电化学性能。然而，聚环氧乙烷浓度较高会导致产生更多的孔隙，从而削弱材料强度。为了达到平衡，电解质中心区域采用较低浓度的聚环氧乙烷制成，从而确保可以提供结构支撑，同时保持离子有效流动。Ng表示：“在电解质中实现最佳性能的窍门在于这种梯度结构。研究人员没有使用单一的电解质结构，而是对其进行结构设计，从而使与电极接触的边缘具有更高的电气性能，而中间的机械强度更高。”

研究人员指出，这标志着结构能量存储领域取得重大进步，但还有很多工作要做。通常情况下，超级电容器具有高功率密度，可以快速提供大量能量，但其能量密度大多低于电池。该研究报告第一作者、Ng实验室材料科学与工程博士生Lulu Yao表示：“未来的工作将集中于提高超级电容器的能量密度，使其可以与一些电池组相媲美。最终目标是实现更高的能量密度和功率密度。”