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- 發布時間2018-11-05 10:00
- 發布人金彩集團
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加州大學圣克(ke)魯茲校區和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的(de)研究人員發(fa)明了(le)全新的(de)電容(rong)器制造技術。研究人員運用(yong)可打印(yin)的(de)石(shi)墨烯(xi)凝(ning)膠(jiao)制作了(le)電極，構(gou)建多孔的(de)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(chao)級電(dian)容器作為儲(chu)能設備，具有充電(dian)速(su)度非常快(幾秒到幾分鐘)，并通過數萬次充電周期保持其存儲容量的優點。它們被用于電動汽車和其他應用中的再生制動系統。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(de)工作中(zhong)，加(jia)州大學圣(sheng)克魯(lu)茲分校和勞倫(lun)斯利(li)弗(fu)莫爾國家實驗室的(de)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(wei)電容的(de)問題在(zai)于，當(dang)你增加(jia)電極(ji)厚度(du)時(shi)，由于在(zai)整體結構中離子擴散(san)緩慢，電容會迅速減小，”加(jia)州大學圣克魯(lu)斯分校的(de)化學和(he)生物化學教授Yat Li說道(dao)
“因此(ci)，其(qi)挑戰在(zai)于增加偽電容器材料的(de)(de)質(zhi)量負荷，同時(shi)又不(bu)舍棄(qi)其(qi)單(dan)位質(zhi)量或單(dan)位體積(ji)的(de)(de)儲能(neng)(neng)能(neng)(neng)力。” 現有的(de)(de)超(chao)級電容器設(she)(she)計(ji)解決了這一問(wen)題，即在(zai)充(chong)當集電極的(de)(de)薄(bo)(bo)金屬片上(shang)涂(tu)上(shang)一層(ceng)薄(bo)(bo)薄(bo)(bo)的(de)(de)電極材料。通過使(shi)用(yong)新(xin)型(xing)3D打印(yin)的(de)(de)多(duo)孔石墨(mo)烯支架，研究(jiu)人員能(neng)(neng)夠在(zai)不(bu)影響性能(neng)(neng)的(de)(de)情況下，將(jiang)質(zhi)量負荷提高到前所未有的(de)(de)水平(ping)，即每平(ping)方(fang)(fang)厘米(mi)多(duo)達100毫(hao)克以上(shang)的(de)(de)氧化錳含(han)量，而商用(yong)設(she)(she)備通常為(wei)每平(ping)方(fang)(fang)厘米(mi)10毫(hao)克左右。
最重要的是(shi)，面積電容隨氧化錳(meng)質(zhi)量載荷和電極(ji)厚度的增加呈線性(xing)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(xian)微(wei)鏡(jing)下的(de)3D打(da)印石墨烯(xi)氣凝(ning)膠晶格(ge)的(de)俯視圖
研究人(ren)員(yuan)能夠將電(dian)極(ji)厚(hou)度增(zeng)加(jia)到4毫米，并未出現任何性能損失。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。“這項研究的關鍵創新是使用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。“這些發現驗證了利用3D打印技術制造儲能設備的新方法。”
由石(shi)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穩定性，在20,000次充放電循環后，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的可打印石墨烯油墨具有超高表面積、輕質性能、彈性和優越的導電性。
