基于锌离子JLG蓄电池的可机械加工结构储能材料：兼具高比能量与优异环境适应性
来源：JLG电瓶 2026-07-08 20:09:52 点击：
开发结构型储能材料(SESM)以解决航空与航天器的续航焦虑至关重要。这类材料需具备均匀开放结构、高比能量、环境适应性及易加工性。传统基于电容或嵌入式锂离子电池的结构无法同时满足这些需求。本研究将锌离子电池的高能量密度与环境适应性，与卓越机械性能相结合离子电导率双连续相电解质的开放结构复合材料。通过微相分离模拟与传质通道优化，最终获得最佳配方（MEP30），该材料具有优异的机械强度（108 MPa杨氏模量）以及离子电导率（0.56 mS cm–1）。NH4@Carbon fiber (CF)||电解质||Zn@CF结构被开发出来，具备多层扩展包能力。该设计改善了层间应力分布并减轻重量，从而提升了机械性能（杨氏模量408兆帕）与系统4高能量密度10(20 wh kg该材料可加工成多种形状，并在穿孔、切割等破坏性处理后仍保持功能性。在模拟航空与航天环境的极端条件（低温、浸水、低压）下，这种多层材料仍能保持其能量密度，为SESM的开发提供了前景广阔的研究路径。 (20 wh kg–1). The material can be machined into various shapes and remains functional after destructive processes like perforation and cutting. Under extreme conditions (low temperature, water immersion, low pressure) simulating aerial and aerospace environments, the multilayer material retains its energy density, offering a promising approach for SESM development.
电气化是中小型航空与航天飞行器未来发展的必然趋势。然而，当前动力电池的能量密度仍不足以满足航程需求，因为此类飞行器对电池自重的敏感度显著高于电动汽车[1]，[2]，[3]。解决这一问题的有效途径是开发兼具储能与承载功能的结构储能材料（SESM），通过将储能性能与结构材料（如蒙皮或低承载部件）相耦合来实现功能集成[4]，[5]。双连续相电解质是指具有两个相互贯穿且连续相态的电解质体系。该领域常用策略是通过在碳纤维复合材料中构建双连续相结构：先制备多孔树脂基体，再灌注液态电解质。多孔固化树脂在保持优异结构性能的同时，还具备可用离子电导率。而液态电解质则能在两侧碳布表面实现储能，活性物质可沉积于碳布表面。
基于电容原理的结构型电化学储能器件(SESM)因其能够直接利用碳纤维表面(或其活化表面)进行储能而备受关注。例如，Wang等人在碳纤维表面垂直生长了石墨烯和二氧化锰[6]，从而优化了结构超级电容器的能量密度。Wienrich成功将双相电解质引入超级电容器[7]，而Bai等人在此基础上设计了多层结构，展示了多功能器件的潜在应用前景[8]。尽管结构电容器研究已取得重大进展，但通过电容储能实现的能量密度(普遍处于0.01–1 Wh kg范围)–1) 仍远未达到实际应用需求[9]-[13]。更关键的是，结构电容器目前仅在三层薄膜结构中开展研究，且仅在室温等温和环境下进行测试，这与航空器及航天器的真实工况存在显著差距[14]-[16]。为满足未来实际应用需求，不仅需提升能量密度，更需系统评估这类材料的环境适应性与可靠性。例如，材料必须能够在暴露于空气或极端环境（包括浸水、低温和低压）时持续保持功能性。此外，作为基础组件材料，SESM必须具备良好的机械加工性，以确保可转化为最终产品，并随后形成稳定可靠的集成系统，同时不造成能量密度的显著（或最小化）损失。这包括能够以不同角度弯曲、塑造成各种形状，甚至通过钻孔或切割进行机械加工的能力[17][18][19]。
本文提出了一种基于锌离子电池原理的新型结构材料，该材料采用高强度、高离子导双连续相准固态电解质。这一创新方法通过利用锌离子电池的高比能量[20]-[23]，解决了传统结构电容器能量密度受限的问题。同时，借助离子液体电解质体系中锌离子电池的高稳定性和耐低温特性，该材料有效应对了SESM的环境适应性挑战。此外，锌离子电池电极材料与离子液体电解质的高热稳定性有效解决了材料热加工与成型过程中的相关难题。同时，复合材料的高环境适应性保障了产品在钻孔、切削等加工环节的稳定性与可靠性。测试结果表明，该多孔准固态电解质具有108 MPa的杨氏模量及0.56 mS cm⁻¹的高离子电导率。–1本研究进一步探究了双连续相电解质中孔隙结构调控的底层机制，及其对材料力学性能与电化学性能的双重影响。基于上述发现，我们成功组装出多层复合组装材料，并验证了该材料可加工成复杂几何构型的机械加工性能。该材料在20 Wh kg<sup>-1</sup>的能量密度条件下（原文格式保留科学记数法与单位符号）–1）其数值比结构电容器高出数个数量级，且在低温环境、浸水测试以及穿孔弯曲等机械加工处理后仍能保持稳定的储能性能。这些结果证实该材料作为高比能固态电解质隔膜（SESM）具有卓越的环境适应性、高稳定性/可靠性以及良好的机械加工性。
图文摘要
电气化是中小型航空与航天飞行器未来发展的必然趋势。然而，当前动力电池的能量密度仍不足以满足航程需求，因为此类飞行器对电池自重的敏感度显著高于电动汽车[1]，[2]，[3]。解决这一问题的有效途径是开发兼具储能与承载功能的结构储能材料（SESM），通过将储能性能与结构材料（如蒙皮或低承载部件）相耦合来实现功能集成[4]，[5]。双连续相电解质是指具有两个相互贯穿且连续相态的电解质体系。该领域常用策略是通过在碳纤维复合材料中构建双连续相结构：先制备多孔树脂基体，再灌注液态电解质。多孔固化树脂在保持优异结构性能的同时，还具备可用离子电导率。而液态电解质则能在两侧碳布表面实现储能，活性物质可沉积于碳布表面。
基于电容原理的结构型电化学储能器件(SESM)因其能够直接利用碳纤维表面(或其活化表面)进行储能而备受关注。例如，Wang等人在碳纤维表面垂直生长了石墨烯和二氧化锰[6]，从而优化了结构超级电容器的能量密度。Wienrich成功将双相电解质引入超级电容器[7]，而Bai等人在此基础上设计了多层结构，展示了多功能器件的潜在应用前景[8]。尽管结构电容器研究已取得重大进展，但通过电容储能实现的能量密度(普遍处于0.01–1 Wh kg范围)–1) 仍远未达到实际应用需求[9]-[13]。更关键的是，结构电容器目前仅在三层薄膜结构中开展研究，且仅在室温等温和环境下进行测试，这与航空器及航天器的真实工况存在显著差距[14]-[16]。为满足未来实际应用需求，不仅需提升能量密度，更需系统评估这类材料的环境适应性与可靠性。例如，材料必须能够在暴露于空气或极端环境（包括浸水、低温和低压）时持续保持功能性。此外，作为基础组件材料，SESM必须具备良好的机械加工性，以确保可转化为最终产品，并随后形成稳定可靠的集成系统，同时不造成能量密度的显著（或最小化）损失。这包括能够以不同角度弯曲、塑造成各种形状，甚至通过钻孔或切割进行机械加工的能力[17][18][19]。
本文提出了一种基于锌离子电池原理的新型结构材料，该材料采用高强度、高离子导双连续相准固态电解质。这一创新方法通过利用锌离子电池的高比能量[20]-[23]，解决了传统结构电容器能量密度受限的问题。同时，借助离子液体电解质体系中锌离子电池的高稳定性和耐低温特性，该材料有效应对了SESM的环境适应性挑战。此外，锌离子电池电极材料与离子液体电解质的高热稳定性有效解决了材料热加工与成型过程中的相关难题。同时，复合材料的高环境适应性保障了产品在钻孔、切削等加工环节的稳定性与可靠性。测试结果表明，该多孔准固态电解质具有108 MPa的杨氏模量及0.56 mS cm⁻¹的高离子电导率。–1本研究进一步探究了双连续相电解质中孔隙结构调控的底层机制，及其对材料力学性能与电化学性能的双重影响。基于上述发现，我们成功组装出多层复合组装材料，并验证了该材料可加工成复杂几何构型的机械加工性能。该材料在20 Wh kg<sup>-1</sup>的能量密度条件下（原文格式保留科学记数法与单位符号）–1）其数值比结构电容器高出数个数量级，且在低温环境、浸水测试以及穿孔弯曲等机械加工处理后仍能保持稳定的储能性能。这些结果证实该材料作为高比能固态电解质隔膜（SESM）具有卓越的环境适应性、高稳定性/可靠性以及良好的机械加工性。