南京航空航天大学团队AEM:聚吡咯-钒氧化物碳纤维结构超级电容器,实现低温高倍率与优异力学-电化学协同
随着低空经济（无人机、电动飞机等）的快速发展，飞行器续航能力与有效载荷之间的矛盾日益突出。碳纤维结构超级电容器（CF-SSC）通过将能量存储功能集成到承力构件中，提供了一种有前景的解决方案。然而，碳纤维固有的化学惰性限制了器件的电容性能，且其低温电化学行为尚未得到系统研究。传统钒氧化物（如 H₂V₃O₈）虽具有高理论比容量，但导电性差、循环过程中结构易坍塌。此外，导电聚合物包覆策略在结构超级电容器中的低温适应性研究仍属空白。复合电极的巧妙设计：本研究通过低温原位氧化聚合法，在 H₂V₃O₈纳米棒表面构建了均匀、连续的聚吡咯（PPy）导电包覆层，形成了清晰的核壳结构（H₂V₃O₈@PPy）。该设计的核心创新如下：PPy的多重协同作用：PPy涂层提供了连续的电子传输通道，降低了界面电荷转移电阻；其自身的赝电容行为贡献了额外容量；同时，柔性PPy分子链能够缓冲 H₂V₃O₈在循环过程中的体积变化，抑制结构退化并减少钒的溶解。优异的电化学性能：组装的 H₂V₃O₈@PPy@CF-SSC 在 0.1 A g⁻¹ 下基于总器件质量的比电容达 1082.4 mF g⁻¹，能量密度高达 573.6 mWh kg⁻¹。在 5 A g⁻¹ 高倍率下仍能稳定工作，经过 5000 次循环后容量保持率为 78%，10 000 次循环后仍保持 27.5 F g⁻¹（基于活性物质）。创纪录的低温耐受性：该工作首次系统评估了 CF-SSC 的低温性能。在 -10°C 时，器件仍能保持 42.1% 的室温电容，能量密度达 165 mWh kg⁻¹；在 -10°C 下以 0.5 A g⁻¹ 循环 4000 次后，容量保持率高达 92.3%，展现出优异的低温循环稳定性。出色的力学性能：该结构超级电容器在集成储能功能的同时，保持了良好的力学完整性。其抗拉强度为 126.5 MPa，拉伸模量为 6.92 GPa，与未集成储能的对照样相比，峰值载荷仅下降 6.5%，实现了力学承载与电化学储能的良好协同。机理的系统解析：结合动力学分析（b 值、电容贡献分离）和 DFT 计算，揭示了 PPy 包覆增强界面电荷转移、提高 Li⁺（或 Na⁺）吸附能、促进电子离域化的微观机理。DFT 计算表明，PPy 修饰后 H₂V₃O₈表面与 Na⁺及 HVO₃⁻的吸附能更负，从而抑制了活性物质溶解并加速了表面赝电容反应。论文链接：Heng Zhou, Xin Xu, Penghua Liang, et al. Low-Temperature-Resilient and High-Rate Polypyrrole-Vanadium Oxide Carbon Fiber Structural Supercapacitors with Superior Mechanical-Electrochemical Synergy. Adv. Energy Mater. 2026.DOI: 10.1002/aenm.202570890
