想象一下，智能手机的外壳不仅能起到保护作用，还能储存电能；电动汽车的车门和底板也能储存能量，推动汽车前进。加州大学圣迭戈分校的工程师们最近完成了一项工作，这些技术有朝一日可能会成为现实。
研究人员开发出了一种所谓的结构超级电容器--一种既能提供结构支撑又能储存能量的装置。这种装置可以在不增加额外重量的情况下，为电子设备和汽车增加更多电量，使它们在一次充电后的使用时间更长。
虽然结构超级电容器的概念并不新鲜，但要制造出一种既能承受机械负荷又能高效存储电能的单一装置，却是一项长期的挑战。传统的超级电容器在能量存储方面非常出色，但缺乏作为结构元件的机械强度。反之，结构材料可以提供支撑，但在能量存储方面却存在不足。
现在，由加州大学圣迭戈分校电气与计算机工程系教授 Tse Nga (Tina) Ng 领导的团队与Xinyu Zhang合作，在一种新型结构超级电容器中实现了两全其美的效果。
作为概念验证，研究人员用他们的结构超级电容器建造了一艘微型太阳能船。超级电容器被模压成船体，然后装上一个小型电机和电路。电路与太阳能电池相连。在阳光照射下，太阳能电池为超级电容器充电，然后为船的马达提供动力。在测试中，小船能够在水面上巡航，证明了这种创新能源存储解决方案的功效。
该设备由标准超级电容器组件组成：一对由电解质隔开的电极表面，电解质有利于离子在电极之间的流动。该设备的独特之处在于其所选择的材料组合可提高机械强度和电化学性能。
电极由碳纤维织成。这种碳纤维织物本身具有很强的结构强度。此外，它还涂有由导电聚合物和还原氧化石墨烯组成的特殊混合物，可显著增强离子流动和能量存储能力。
固体电解质是另一种关键成分，由环氧树脂和一种名为聚氧化乙烯的导电聚合物混合而成。环氧树脂提供结构支撑，而聚氧化乙烯的加入则通过在整个电解质中形成孔隙网络来提高离子的流动性。
这里的一个关键设计特征是聚环氧乙烷的浓度在电解质中变化，从而产生所谓的浓度梯度。电极附近的区域具有较高浓度的聚环氧乙烷。这种配置有助于离子在电极-电解质界面更快、更自由地流动，从而提高电化学性能。
不过，聚氧化乙烯浓度越高，孔隙就越多，从而削弱了材料的强度。为了取得平衡，电解质的中心区域使用了较低浓度的聚氧化乙烯，以确保它既能提供结构支撑，又能保持离子的高效流动。
"这种梯度配置是实现电解质最佳性能的诀窍，"Ng 说。"我们没有使用单一的电解质配置，而是在结构上使接触电极的边缘具有更高的电气性能，而中间则具有更强的机械性能。
虽然这代表着结构储能技术的重大进步，但研究人员指出，仍有许多工作要做。超级电容器一般具有较高的功率密度，这意味着它们可以快速提供大能量，但与电池相比，它们的能量密度通常较低。
研究团队未来的工作将集中于提高超级电容器的能量密度，最终目标是实现更高的能量密度和功率密度。
参考视频：https://www.youtube.com/watch?v=3Uu3TnVyKYE&t=4s；Demi Xia编译
最前沿的电子设计资讯
