加州大學(xué)圣克魯茲分校和加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明了一種制造電容器的新制造技術(shù)。魔猴網(wǎng)了解到，研究人員使用可印刷石墨烯氣凝膠制作電極，以構(gòu)建一個(gè)裝有電容凝膠的多孔三維支架，這是一種電容器材料，在某些方面也像電池一樣。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，新型電極實(shí)現(xiàn)了有史以來(lái)超級(jí)電容器報(bào)告的最高面積電容（每單位電極表面積存儲(chǔ)的電荷）。

該示意圖示出了3D打印的石墨烯氣凝膠/氧化錳超級(jí)電容器電極的制造

作為能量存儲(chǔ)裝置，超級(jí)電容器具有非?？焖伲◣酌氲綆追昼姡┏潆姴⑶彝ㄟ^(guò)數(shù)萬(wàn)次充電循環(huán)保持其存儲(chǔ)容量的優(yōu)點(diǎn)。它們用于電動(dòng)車(chē)輛和其他應(yīng)用中的再生制動(dòng)系統(tǒng)。與電池相比，它們?cè)谙嗤目臻g內(nèi)保持較少的能量，并且它們不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持充電。但超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)步可以使它們?cè)诟鼜V泛的應(yīng)用中與電池競(jìng)爭(zhēng)。

在早期的工作中，UCSC和LLNL的研究人員展示了使用3D打印的石墨烯氣凝膠制造的超快超級(jí)電容器電極。在這項(xiàng)新研究中，他們使用改進(jìn)的石墨烯氣凝膠來(lái)制造多孔支架，然后裝載氧化錳，這是一種常用的贗電容材料。

作為電化學(xué)電容器的一部分，贗電容器通過(guò)電極表面的反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存能量，從而提供更像電池的性能。

“贗電容器的問(wèn)題在于，當(dāng)你增加電極的厚度時(shí)，由于散裝結(jié)構(gòu)中的離子擴(kuò)散緩慢，電容會(huì)迅速下降，”加州大學(xué)圣克魯茲分校化學(xué)與生物化學(xué)教授Yat Li說(shuō)。 “因此，面臨的挑戰(zhàn)是增加贗電容器材料的質(zhì)量負(fù)載，而不會(huì)犧牲每單位質(zhì)量或體積的能量存儲(chǔ)容量。”

現(xiàn)有的超級(jí)電容器設(shè)計(jì)通過(guò)將薄的電極材料涂層施加到用作集電器的薄金屬板來(lái)解決該問(wèn)題。使用具有多孔石墨烯的新型3D打印支架，研究人員能夠?qū)①|(zhì)量負(fù)荷增加到每平方厘米超過(guò)100毫克氧化錳的記錄水平而不影響性能，而商用的典型水平約為10毫克/平方厘米設(shè)備。

最重要的是，面電容隨著氧化錳的質(zhì)量負(fù)載和電極厚度線(xiàn)性增加，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(zhì)量負(fù)載下，電極的性能也不受離子擴(kuò)散的限制。

該掃描電子顯微鏡圖像顯示3D打印的石墨烯氣凝膠晶格的頂視圖（比例尺：1毫米）。 （圖片來(lái)自Bin Yao）

研究人員能夠?qū)㈦姌O厚度增加到4毫米，而不會(huì)損失任何性能。他們?cè)O(shè)計(jì)了具有周期性孔結(jié)構(gòu)的電極，該結(jié)構(gòu)能夠使材料均勻沉積并且有效的離子擴(kuò)散用于充電和放電。印刷結(jié)構(gòu)是由石墨烯氣凝膠的圓柱形桿構(gòu)成的晶格。除了晶格結(jié)構(gòu)中的孔之外，棒本身是多孔的。然后將氧化錳電沉積到石墨烯氣凝膠晶格上。

“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用3D打印來(lái)制造合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說(shuō)。 “這些發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了使用3D打印制造儲(chǔ)能設(shè)備的新方法?！?/span>

用石墨烯氣凝膠/氧化錳電極制成的超級(jí)電容器裝置顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在20,000次充電和放電循環(huán)后保持超過(guò)90％的初始電容。 3D打印的石墨烯氣凝膠電極具有極大的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)樗鼈兛梢灾瞥蛇m合裝置所需的任何形狀。 LLNL開(kāi)發(fā)的可印刷石墨烯基油墨具有超高的表面積，輕質(zhì)特性，彈性和優(yōu)異的導(dǎo)電性。

研究論文“超高M(jìn)nO2負(fù)載的高效3D打印偽電容電極”于10月18日在焦耳發(fā)表。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)