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- 發(fā)布時間2018-11-05 10:00
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加州大學(xué)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(shù)。研究人員運用可打印的石墨烯凝膠制作了電極，構(gòu)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(shè)備，具有充電速度非常快(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(yīng)用中的再生制動系統(tǒng)。與電池相比，它們在相同的空間內(nèi)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(shù)所取得的新進展可能使其在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中比電池更具競爭力。
在早期的工作中，加州大學(xué)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(gòu)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(xué)電容器的一部分，偽電容器通過電極表面的反應(yīng)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(jié)構(gòu)中離子擴散緩慢，電容會迅速減小，”加州大學(xué)圣克魯斯分校的化學(xué)和生物化學(xué)教授Yat Li說道
“因此，其挑戰(zhàn)在于增加偽電容器材料的質(zhì)量負荷，同時又不舍棄其單位質(zhì)量或單位體積的儲能能力。” 現(xiàn)有的超級電容器設(shè)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(zhì)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(shè)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(zhì)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(zhì)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?qū)㈦姌O厚度增加到4毫米，并未出現(xiàn)任何性能損失。他們設(shè)計的電極具有周期性的孔結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)是由石墨烯氣凝膠的圓柱形棒組成的晶格。除了晶格結(jié)構(gòu)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。“這項研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用3D打印技術(shù)來制造合理設(shè)計的結(jié)構(gòu)，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(shù)制造儲能設(shè)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(shè)計靈活性，可以制成任意形狀，以適合于各種設(shè)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(zhì)性能、彈性和優(yōu)越的導(dǎo)電性。
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