就像漫威漫画《黑豹》中穿的充电套装一样，加州大学旧金山分校的研究人员利用美国宇航局的先进技术，为电动汽车开发了一种动力套装，它像钢铁一样坚固，比铝更轻，有助于提高汽车的动力容量。
Kumar 和 Pandey 是 UCF 博士生，Thomas 是 UCF 纳米科学技术中心和材料科学与工程系的教授。
UCF 研究人员 Kowsik Sambath Kumar、Jayan Thomas 和 Deepak Pandey 展示了他们开发的轻质超级电容器电池混合复合材料。
当前的电动汽车 (EV) 面临许多挑战，例如充电容量有限、充电里程低和充电时间长。新研究通过开发一种基于双功能超级电容器的储能碳纤维增强聚合物 (e-CFRP) 来解决这些问题，该聚合物可以存储电能并用作电动汽车身外壳的结构部件。
这是通过开发一种独特的设计来实现的，垂直排列的石墨烯片附着在碳纤维电极上，在碳纤维电极上沉积不同的金属氧化物，以获得高能量密度电极。采用环氧树脂和聚丙烯酰胺凝胶电解质交替层状结构制备了高强度多层e-CFRP组件。
如此开发的e-CFRP在0.3 mm厚度时的面能量密度为0.31 mWh cm-2，抗拉强度为518 MPa，抗弯强度为477 MPa，冲击强度为2666 J m-1。
为了展示它在电动汽车上的应用，一辆玩具汽车的车身面板是用e-CFRP制作的，并且该玩具汽车能够使用储存在其框架内的能量进行操作。此外，当与太阳能电池相结合时，这种复合材料可为物联网设备提供动力，显示其在通信卫星中的可行性。
电极制备和通电复合材料制造和应用示意图。a-c）电极的制造。d-f) 使用电极制造带电复合材料及其在车身原型开发中的应用。
这一进展最近作为《Small》杂志的封面故事出现，可能会应用于一系列需要轻型能源的技术，从电动汽车到航天器、飞机、无人机、便携式设备和可穿戴技术。
“我们的想法是使用外壳来储存能量，以补充储存在电池中的能量，”该研究的合作者、UCF 纳米科学技术中心和材料科学与工程系的教授、团队负责人 Jayan Thomas 说。
他说：“这种复合材料的优点是可以减轻汽车的重量，并增加每次充电的行驶里程。”“它甚至比钢还结实，但要轻得多。”
当这种材料被用作汽车外壳时，可以使电动汽车的行驶里程增加25%，这意味着每充电200英里的汽车可以多行驶50英里，并减轻汽车的总重量。
作为一个超级电容器，它还可以提升电动汽车的动力，为它提供额外的推力，使它在3秒内从0加速到60英里/小时。
这些材料可以用作立方体卫星的框架、外星球栖息地的结构，甚至可以用作未来眼镜的一部分，例如混合现实和虚拟现实耳机。
Roberson 说，在汽车上，超级电容器复合材料将通过充电（如电池）以及汽车刹车时获得电力。
“它的充放电循环寿命是电动汽车电池的 10 倍，”他说，“使用的材料也是无毒、不易燃的，这对于发生事故时乘客的安全非常重要”。
Thomas说：“与过去的方法相比，这是一个巨大的进步，过去的方法存在有毒材料、易燃有机电解质、低寿命周期或性能差的问题。”
由于其使用多层碳纤维的独特设计，该材料具有显著的冲击强度和弯曲强度，这对承受汽车碰撞至关重要，同时也具有显著的抗拉强度。
为了构建这种材料，研究人员制造了带正电和带负电的碳纤维层，当它们以交替模式堆叠和连接时，形成了一种强大的储能复合材料。
用于在交叉编织碳纤维垫上沉积活性材料的奇偶位置模式。b）阳极和阴极碳纤维垫的堆叠模式，以制造大面积的通电复合材料。
附着在碳纤维层上的纳米级石墨烯片可提高电荷存储能力，而沉积在附着电极上的金属氧化物可提高电压并提供更高的能量密度。Thomas 说，这为超级电容器-电池混合动力车提供了前所未有的储能能力和充电周期。
该研究的第一作者、Thomas 实验室的博士生 Deepak Pandey 致力于复合材料的制备、成型和优化，以及开发将金属氧化物添加到碳石墨烯带的方法。
该研究的合作者、Thomas 实验室的博士生 Kowsik Sambath Kumar 开发了一种将纳米石墨烯垂直排列在碳纤维电极上的方法。
Kumar 说，这种超级电容器复合材料最重要的发展之一是它的重量轻。
“现在在电动汽车中，电池占重量的 30% 到 40%，”他说。“使用这种储能复合材料，我们可以在不增加电池重量的情况下增加行驶里程，进一步减轻车辆重量，同时保持较高的拉伸、弯曲和冲击强度。每当你减轻重量时，你就可以增加续航里程，所以这在电动汽车和航空领域有着巨大的应用。”
“用这种复合材料制造立方卫星将使卫星重量更轻，并有助于消除笨重的电池组，”他说。“这可以为每次发射节省数千美元。此外，通过拆除大电池获得的自由体积可以帮助装入更多传感器和测试设备，从而增加卫星的功能，” Pandey 说。“超级电容器-电池混合行为是立方体卫星的理想选择。因为当卫星运行在地球有阳光照射的一侧时，它可以在几分钟内充电。
Roberson 表示，该技术目前处于 5 级技术就绪水平，这意味着它已经在相关环境中进行了测试然后才会在真实环境中进行测试，例如在太空飞行中进行测试，这将是 6 级测试。
他说，为了通过最后一级的测试，即第9级，并达到商业环境，它将需要进一步的开发和测试，重点放在商业应用程序上。
Deepak Pandey et al, Energized Composites for Electric Vehicles: A Dual Function Energy‐Storing Supercapacitor‐Based Carbon Fiber Composite for the Body Panels,Small (2022). DOI: 10.1002/smll.202107053
