3D打印石墨烯氣凝膠可制作強(qiáng)大的超級(jí)電容器

超級(jí)電容器是能量存儲(chǔ)裝置，其非�,？焖俚爻潆姴⑶铱梢酝ㄟ^數(shù)萬次充電循環(huán)來保持其存儲(chǔ)容量,。它們的應(yīng)用包括電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)。它們?cè)谂c電池相同的空間內(nèi)保持較少的能量,，并且它們不會(huì)長時(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),。在一項(xiàng)題為“高效3D打印的具有超高M(jìn)nO2負(fù)載的Pseudocapacitive電極”的研究中,，加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員從超級(jí)電容器電極獲得了前所未有的性能。電極由3D打印石墨烯氣凝膠制成,，其用于構(gòu)建裝載有贗電容材料的多孔3D支架,。

在測(cè)試中，電極實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容器所報(bào)告的最高面積電容,。在早期的一項(xiàng)研究中,，研究人員實(shí)現(xiàn)了由石墨烯氣凝膠3D打印的超快速超級(jí)電容器電極。這次,，他們使用改進(jìn)的石墨烯氣凝膠來構(gòu)建載有氧化錳的多孔支架,。

贗電容器是一種超級(jí)電容器，通過電極表面的反應(yīng)來存儲(chǔ)能量,，使其比主要通過靜電機(jī)制（稱為電雙層電容或EDLC）存儲(chǔ)能量的超級(jí)電容器具有更像電池的性能,。“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,，”UC Santa Cruz化學(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,。”

該研究表明在平衡贗電容器中的質(zhì)量負(fù)載和電容方面取得了突破,。研究人員將質(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,，與商業(yè)設(shè)備相比有了大幅提升，商用設(shè)備的水平約為每平方厘米10毫克,。面積電容也隨著氧化錳的質(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,。

根據(jù)研究生Bin Lao的說法，在傳統(tǒng)的超級(jí)電容器制造中,，將薄的電極材料涂層應(yīng)用于作為集電器的薄金屬板上,。增加涂層的厚度會(huì)導(dǎo)致性能下降，因此堆疊多個(gè)板以構(gòu)建電容,，增加重量和材料成本,。

“通過我們的方法，我們不需要堆疊，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^使電極更厚而不犧牲性能來增加電容,。研究人員設(shè)法將電極的厚度增加到4毫米而不犧牲性能,。設(shè)計(jì)具有周期性孔結(jié)構(gòu)的電極，其允許材料的均勻沉積和用于充電和放電的有效離子分布,。印刷結(jié)構(gòu)本身是由石墨烯氣凝膠的圓柱形多孔棒制成的格子,。然后將氧化錳沉積在晶格上。

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,，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,。使用電極制成的超級(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90％以上的初始電容。 3D打印電極具有大量的設(shè)計(jì)靈活性,，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,。

來源：中國3D打印網(wǎng)