中国储能网讯：在当前能源危机与“双碳”的大背景下，新能源汽车尤其是电动汽车产业获得了蓬勃发展。然而，里程焦虑仍然是电动汽车被广泛接受的主要制约因素。车身轻量化和高效储能系统的开发是解决电动汽车里程焦虑问题的有效手段。碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）作为一种理想的轻量化材料，在汽车轻量化结构中得到了广泛的应用。而且，近年来，受CFRP三明治叠层结构和碳纤维导电性的启发，一种集储能和力学承载于一体的新型结构超级电容器复合材料（SSC）受到学术界和工业界的广泛关注。SSC具有结构/储能一体化的特性，有望同时满足电动汽车等交通工具对结构承载与高效储能的双重需求，因此在新能源汽车等领域具有广泛应用前景。
与传统超级电容器的储能原理类似，SSC由碳纤维结构电极、绝缘隔膜（玻璃纤维等）和固态聚合物电解质（SPE）组成，充电时，正、负离子以双电层的形式存储于碳纤维电极与SPE的界面从而实现储能；同时，碳纤维结构电极、玻璃纤维隔膜与SPE组成的层合结构复合材料起到支撑承载作用。SPE作为SSC的重要组成部分，既是复合材料的聚合物基体，又是电解液的载体，肩负着载荷传递与离子传导的双重功能。因此，SSC 储能性能与力学承载性能很大程度上取决于SPE的离子电导性能与力学性能。高性能的SSC要求SPE兼具优良的离子电导率及力学性能。
复合材料常见的聚合物基体并不具备离子导电能力。SPE主要通过在树脂基体中添加电解液（电解质）赋予其导电功能。然而，SPE的力学性能与离子电导性能往往相互制约。电解液的引入会因相分离作用在聚合物基体中形成大量孔隙结构，并进一步通过塑化作用改善聚合物链段的运动能力提高SPE离子电导能力，但也因此不可避免地削弱了其力学性能。通过在聚合物基体中引入刚性结构的分子链段可提高SPE的力学性能，但离子在聚合物基体中的迁移与传输能力又受抑制，导致离子电导率下降。因此，如何通过SPE内部结构优化调控，实现其力学性能与电导性能的平衡，制备兼具优良离子电导性能与力学性能的SPE是当前研制高性能SSC亟需解决的关键难题之一。
近年来，国内外研究人员在该领域开展了大量研究，逐步发展了基于锂盐电解液的SPE、基于离子液体电解液的SPE以及纳米填料复合改性的SPE，这些SPE已经初步在SSC的研制中获得了应用。
1、锂盐/有机溶剂电解液型SPE
将锂盐作为电解质与聚合物基体共混复配是制备SPE的常见方法。一般需要加入有机溶剂作为离子传输的载体，同时通过相分离作用在聚合物基体内部构筑双连续相的结构，为锂盐的离子传输提供通路。三氟甲磺酸锂（LiTf）、高氯酸锂（LiClO4）、双（三氟甲基磺酰）亚胺锂（LiTFSI）是制备SPE常用的几种锂盐。
2、离子液体电解液型SPE
离子液体（IL）即室温熔融盐，主要由有机阳离子和有机阴离子构成，兼具电解质盐与溶剂的双重作用，具有离子电导性能优良、热稳定性好、电化学窗口宽、挥发性低、几乎无副毒性等优点，相比于常规锂盐/有机溶剂体系的电解液具有明显优势，而且IL还具备可自发与树脂基体通过相分离作用构筑双连续相结构的能力。因而IL被认为是制备SPE的理想电解液，已得到广泛研究。四丁基六氟磷酸铵（TBAPF6）、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（EMIMTFSI）是制备SPE常见的离子液体。
3、纳米增强改性型SPE
SPE的离子导电性能与力学性能往往相互掣肘、相互矛盾。SPE需要通过电解液提供离子电导，然而电解液对聚合物基体的相分离造孔作用、塑化作用又不可避免地弱化了SPE力学强度。为了赋予SPE优良的离子导电性，并更好地保持其力学性能，国内外研究人员发展了通过多功能纳米增强填料改性协同优化SPE离子电导性能与力学性能的新方法。一方面，纳米增强颗粒既可有效传应力，又可在SPE内部充当应力集中点，诱导聚合物基体产生大量的银纹吸收能量，从而提高SPE的力学性能；另一方面，纳米填料可与SPE的聚合物基体形成交联网络，降低结晶度，有利于离子的传输，一些具有独特孔隙结构的纳米填料（如介孔SiO2、介孔TiO2）甚至可为离子的传输提供额外的通道，促进了离子的快速传输。
除了无机纳米增强填料，Park团队还选用具有导电功能的聚苯胺纳米纤维（PANINF）作为结构/功能一体化的纳米增强体改性SPE。
4、结语与展望
SSC作为一种多功能的复合材料，集能量存储与力学承载于一体，在新能源汽车、航空航天等高端科技领域具有广阔应用前景。作为SSC 的重要组成部分，SPE很大程度上决定了SSC的能量存储与结构承载性能。开发具有优异离子电导性能与力学性能的SPE是当前研制高性能SSC面临的主要挑战之一。经过多年的研究和攻关，人们已经开发了锂盐/有机溶剂电解液型SPE、离子液体电解液型SPE、纳米增强改性型SPE，并基于这些SPE制备了具有优良储能性能与力学承载性能的SSC，甚至获得了初步的应用验证。但总体而言，现有SSC的储能水平、力学性能依然较低，距离实际应用尚有一定距离。这很大程度上是因为SPE的离子电导率和力学性能依然没有很好地得到协同改善。目前，鲜有SPE能在离子电导率达到10-2 S/cm水平的同时具备优异的力学性能。现有SPE的制备主要采用电解液与聚合物基体共混的方式实现。电解液对聚合物基体的相分离作用以及对聚合物基体的塑化行为不可避免地会弱化SPE的力学性能。
高性能SPE后续的制备研究仍然需要从其微结构优化入手，一方面构筑适于离子快速迁移输送的连续多孔结构，另一面使聚合物基体具有更强韧的力学性能。筛选合适的聚合物基体构筑强韧化的骨架结构、结合仿真计算优化SPE内部的孔隙结构（包括形状、尺寸）、并采用多功能纳米增强填料改性，可能是未来SSC专用高性能SPE研制的发展方向。
