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3D打印石墨烯支架提供史上最高电容量!
出处:  录入日期:2018-11-08  点击数:78

  近日消息,美国研究人员运用可打印的石墨烯凝胶制作了电极,构建多孔的3D支架,上面装载了伪电容凝胶。该凝胶作为电容材料,在某些方面与电池类似。在实验室测试中,这种新型电极达到了超级电容器有史以来最高的面积电容(每单位电极表面面积的存储电荷)。
  加州大学圣克鲁兹校区和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员发明了全新的电容器制造技术。研究人员运用可打印的石墨烯凝胶制作了电极,构建多孔的3D支架,上面装载了伪电容凝胶。该凝胶作为电容材料,在某些方面与电池类似。在实验室测试中,这种新型电极达到了超级电容器有史以来最高的面积电容(每单位电极表面面积的存储电荷)。

3D打印石墨烯气凝胶/氧化锰超级电容电极的制作过程
 (Credit: Yat Li et al., Joule, 2018)

 

  超级电容器作为储能设备,具有充电速度非常快(几秒到几分钟),并通过数万次充电周期保持其存储容量的优点。它们被用于电动汽车和其他应用中的再生制动系统。与电池相比,它们在相同的空间内储存的能量更少,而且它们的充电时间也很短。但超级电容器技术所取得的新进展可能使其在更广泛的应用领域中比电池更具竞争力。
  在早期的工作中,加州大学圣克鲁兹分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员展示了使用3D打印石墨烯气凝胶制作的超快的超级电容器电极。在这项新的研究中,他们使用改良过的石墨烯气凝胶,以构建多孔支架,然后在上面装载锰氧化物,这是一种常用的伪电容材料。作为电化学电容器的一部分,伪电容器通过电极表面的反应来储存能量,提供更多类似电池的性能。
  “伪电容的问题在于,当你增加电极厚度时,由于在整体结构中离子扩散缓慢,电容会迅速减小,”加州大学圣克鲁斯分校的化学和生物化学教授Yat Li说道。“因此,其挑战在于增加伪电容器材料的质量负荷,同时又不舍弃其单位质量或单位体积的储能能力。” 现有的超级电容器设计解决了这一问题,即在充当集电极的薄金属片上涂上一层薄薄的电极材料。通过使用新型3D打印的多孔石墨烯支架,研究人员能够在不影响性能的情况下,将质量负荷提高到前所未有的水平,即每平方厘米多达100毫克以上的氧化锰含量,而商用设备通常为每平方厘米10毫克左右。
  最重要的是,面积电容随氧化锰质量载荷和电极厚度的增加呈线性增长,而每克电容(重量电容)几乎保持不变。这表明,即使在如此高的质量负载下,电极性能也不受离子扩散的限制。

电子显微镜下的3D打印石墨烯气凝胶晶格的俯视图
(Image by Bin Yao)

 

  研究人员能够将电极厚度增加到4毫米,并未出现任何性能损失。他们设计的电极具有周期性的孔结构,既能使材料均匀沉积,又能使有效的离子扩散进行充电和放电。打印的结构是由石墨烯气凝胶的圆柱形棒组成的晶格。除了晶格结构中的孔隙外,棒本身也是多孔的。然后,氧化锰被电解沉积到石墨烯气凝胶晶格上。“这项研究的关键创新是使用3D打印技术来制造合理设计的结构,配置了碳支架以支持伪电容材料,”Yat Li说道。“这些发现验证了利用3D打印技术制造储能设备的新方法。”
  由石墨烯气凝胶/氧化锰电极制成的超级电容器具有良好的循环稳定性,在20,000次充放电循环后,保持了90%以上的初始电容。3D打印的石墨烯气凝胶电极具有显著的设计灵活性,可以制成任意形状,以适合于各种设备。劳伦斯利弗莫尔国家实验室所开发的可打印石墨烯油墨具有超高表面积、轻质性能、弹性和优越的导电性。

 

来源:3D打印技术/石墨烯资讯

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