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- 發布時間2018-11-05 10:00
- 發布人金彩集團
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加州大學圣克魯茲校區和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的(de)(de)(de)研究人員發明了全新的(de)(de)(de)電容(rong)器制造技術。研究人員運用可打(da)印的(de)(de)(de)石墨烯凝膠制作了電極，構(gou)建多(duo)孔的(de)(de)(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)級電容器(qi)作為(wei)儲(chu)能設備，具有(you)充電速度非常快(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(zai)早期的工作中(zhong)，加州大學圣(sheng)克魯茲分(fen)校和(he)勞(lao)倫斯利弗莫爾國家實驗室(shi)的研究人(ren)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(de)問題在于，當你增加電極厚度(du)時，由于在整體(ti)結構中離子(zi)擴散緩慢，電容會(hui)迅(xun)速減(jian)小，”加州大(da)學圣克魯斯分校的(de)化學和生物(wu)化學教授Yat Li說道
“因此，其(qi)挑戰在(zai)于增(zeng)加(jia)偽電容(rong)器材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)質量(liang)負荷，同時(shi)又(you)不(bu)舍棄其(qi)單(dan)位(wei)(wei)質量(liang)或(huo)單(dan)位(wei)(wei)體積的(de)(de)儲能能力。” 現有(you)的(de)(de)超級電容(rong)器設(she)計(ji)解(jie)決了這(zhe)一問題，即在(zai)充當集電極的(de)(de)薄(bo)(bo)金(jin)屬(shu)片上涂上一層薄(bo)(bo)薄(bo)(bo)的(de)(de)電極材(cai)料(liao)(liao)。通(tong)過使用(yong)新型(xing)3D打印的(de)(de)多孔石墨烯支架，研究人(ren)員能夠(gou)在(zai)不(bu)影響(xiang)性(xing)能的(de)(de)情況下，將質量(liang)負荷提高到前所未有(you)的(de)(de)水平(ping)，即每平(ping)方厘米多達100毫克以上的(de)(de)氧化(hua)錳(meng)含(han)量(liang)，而商用(yong)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)為每平(ping)方厘米10毫克左右(you)。
最重要的是，面積(ji)電容(rong)隨氧化錳質量載荷和(he)電極(ji)厚(hou)度的增(zeng)加呈(cheng)線性(xing)增(zeng)長，而每克電容(rong)(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(xi)氣凝膠晶格的俯視圖
研究人員能夠(gou)將(jiang)電(dian)極厚度增(zeng)加到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。”
由石墨烯氣(qi)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。
