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碳纤维-铝结构储能一体化复合材料设计制备与性能研究

摘要

本文基于结构储能一体化复合材料研究，从铝离子电池体系出发，围绕碳纤维电

极改性、结构电解质制备和复合材料的设计制备展开研究，提出了低成本且易于工程

化的碳纤维-铝结构储能一体化复合材料制备方法。此外，基于不同结构电解质体系下

制备的复合材料，对其力学和电化学性能进行研究，并揭示了复合材料的力-电相关性。

以碳纤维(CF)正极材料对电池电化学性能的影响为指导，采用原始天然石墨(NG)

和一步烧结法合成的碳纳米辊(CNS)为正极活性材料，通过简单涂敷工艺制备了

NG@CF与CNS@CF正极材料。基于两种不同正极材料组装的铝离子软包电池，在

-1-1

100mA·g的电流密度下，CNS@CF正极的比容量达到22.07mAh·g，储能密度达到

31.83Wh·kg-1，而NG@CF正极由于膨胀效应和较差的大电流适应性，比容量仅为

0.11mAh·g-1，储能密度为0.15Wh·kg-1；

以兼顾离子电导率与机械强度的结构电解质的设计制备为指导，采用双酚A型环

氧树脂(E51)作为基体材料，二氨基二环己基甲烷(PACM)为固化剂，聚乙二醇(PEG200)

为造孔剂，通过调控树脂基体与造孔剂比例，进行结构电解质的制备。当E51与

PEG200质量比最小时，结构电解质拉伸强度最大，离子电导率最小。研究表明，随着

造孔剂的增多，结构电解质的离子电导率和力学性能存在相互限制关系。

以兼具高承载和高储能的结构-储能一体化碳纤维-铝复合材料的设计制备为指导，

基于制备的碳纤维电极和结构电解质，进行复合材料的设计制备。比较了不同结构电

解质体系下复合材料的力学和电化学性能，发现两者仍存在相互限制关系。当树脂和

造孔剂比例为1:3时，单个层复合材料构型的力学性能最差，而电化学性能最佳。在

-1-

100mA·g的电流密度下，以CNS@CF为正极的复合材料首次比容量达到38.7mAh·g

1，储能密度达到56.08Wh·kg-1。经200次循环之后，其比容量为41.2mAh·g-1，储能

密度为61.48Wh·kg-1，展示出了较好的循环稳定性；

为了进一步探究碳纤维-铝结构储能一体化复合材料的高温性能，对其耐温极限进

行研究。结果表明，复合材料最高耐温达到60℃，并在100mA·g-1的电流密度下，首

次比容量达到54.53mAh·g-1，储能密度达到83.55Wh·kg-1。经过100次循环后，比容

量仍保持在61.43mAh·g-1，储能密度为93.76Wh·kg-1，高温条件下展示出较良好的长

循环性能。此外，对复合材料不同状态下的储能效果进行检验，发现经折叠和镶嵌于

加筋壁板的复合材料均能成功点亮二极管组合。

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

关键词：结构储能复合材料；力电性能；碳纤维电极；结构电解质

碳纤维-铝结构储能一体化复合材料设计制备与性能研究

Abstract

Thisarticleisbasedontheresearchofintegratedcompositematerialsforstructural

energystorage,startingfromthealuminumionbatterysystem,focusingonthemodification

ofcarbonfiberelectrodes,preparationofstructuralelectrolytes,anddesignandpreparationo