3D打印的石墨烯支架為超級(jí)電容器提供了最高的電容
魔猴君 行業(yè)資訊 2250天前
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^數(shù)萬次充電循環(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，贗電容器通過電極表面的反應(yīng)來儲(chǔ)存能量，從而提供更像電池的性能。
“贗電容器的問題在于，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?；瘜W(xué)與生物化學(xué)教授Yat Li說。 “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)通過將薄的電極材料涂層施加到用作集電器的薄金屬板來解決該問題。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。 “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。
