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- 發(fā)布時間2018-11-05 10:00
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加州大學圣克魯茲校區(qū)和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員發(fā)明了全新的電容器制造技術。研究人員運用可打印的石墨烯凝膠制作了電極，構建多孔的3D支架，上面裝載了偽電容凝膠。該凝膠作為電容材料，在某些方面與電池類似。在實驗室測試中，這種新型電極達到了超級電容器有史以來最高的面積電容(每單位電極表面面積的存儲電荷)。
超級電容器作為儲能設備，具有充電速度非?？?/span>(幾秒到幾分鐘)，并通過數(shù)萬次充電周期保持其存儲容量的優(yōu)點。它們被用于電動汽車和其他應用中的再生制動系統(tǒng)。與電池相比，它們在相同的空間內儲存的能量更少，而且它們的充電時間也很短。但超級電容器技術所取得的新進展可能使其在更廣泛的應用領域中比電池更具競爭力。
在早期的工作中，加州大學圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員展示了使用3D打印石墨烯氣凝膠制作的超快的超級電容器電極。在這項新的研究中，他們使用改良過的石墨烯氣凝膠，以構建多孔支架，然后在上面裝載錳氧化物，這是一種常用的偽電容材料。作為電化學電容器的一部分，偽電容器通過電極表面的反應來儲存能量，提供更多類似電池的性能。
“偽電容的問題在于，當你增加電極厚度時，由于在整體結構中離子擴散緩慢，電容會迅速減小，”加州大學圣克魯斯分校的化學和生物化學教授Yat Li說道
“因此，其挑戰(zhàn)在于增加偽電容器材料的質量負荷，同時又不舍棄其單位質量或單位體積的儲能能力。” 現(xiàn)有的超級電容器設計解決了這一問題，即在充當集電極的薄金屬片上涂上一層薄薄的電極材料。通過使用新型3D打印的多孔石墨烯支架，研究人員能夠在不影響性能的情況下，將質量負荷提高到前所未有的水平，即每平方厘米多達100毫克以上的氧化錳含量，而商用設備通常為每平方厘米10毫克左右。
最重要的是，面積電容隨氧化錳質量載荷和電極厚度的增加呈線性增長，而每克電容(重量電容)幾乎保持不變。這表明，即使在如此高的質量負載下，電極性能也不受離子擴散的限制。
電子顯微鏡下的3D打印石墨烯氣凝膠晶格的俯視圖
研究人員能夠將電極厚度增加到4毫米，并未出現(xiàn)任何性能損失。他們設計的電極具有周期性的孔結構，既能使材料均勻沉積，又能使有效的離子擴散進行充電和放電。打印的結構是由石墨烯氣凝膠的圓柱形棒組成的晶格。除了晶格結構中的孔隙外，棒本身也是多孔的。然后，氧化錳被電解沉積到石墨烯氣凝膠晶格上?！斑@項研究的關鍵創(chuàng)新是使用3D打印技術來制造合理設計的結構，配置了碳支架以支持偽電容材料，”Yat Li說道。“這些發(fā)現(xiàn)驗證了利用3D打印技術制造儲能設備的新方法。”
由石墨烯氣凝膠/氧化錳電極制成的超級電容器具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在20,000次充放電循環(huán)后，保持了90%以上的初始電容。3D打印的石墨烯氣凝膠電極具有顯著的設計靈活性，可以制成任意形狀，以適合于各種設備。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室所開發(fā)的可打印石墨烯油墨具有超高表面積、輕質性能、彈性和優(yōu)越的導電性。
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