3D打印的石墨烯支架為超級電容器提供了最高的電容

魔猴君  行業資訊   2188天前

加州大學圣克魯茲分校和加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員發明了一種制造電容器的新制造技術。魔猴網了解到，研究人員使用可印刷石墨烯氣凝膠制作電極，以構建一個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。在實驗室測試中，新型電極實現了有史以來超級電容器報告的最高面積電容（每單位電極表面積存儲的電荷）。

該示意圖示出了3D打印的石墨烯氣凝膠/氧化錳超級電容器電極的制造

作為能量存儲裝置，超級電容器具有非常快速（幾秒到幾分鐘）充電并且通過數萬次充電循環保持其存儲容量的優點。它們用于電動車輛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保持較少的能量，并且它們不會長時間保持充電。但超級電容器技術的進步可以使它們在更廣泛的應用中與電池競爭。

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電容器電極。在這項新研究中，他們使用改進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。

作為電化學電容器的一部分，贗電容器通過電極表面的反應來儲存能量，從而提供更像電池的性能。

“贗電容器的問題在于，當你增加電極的厚度時，由于散裝結構中的離子擴散緩慢，電容會迅速下降，”加州大學圣克魯茲分校化學與生物化學教授Yat Li說。 “因此，面臨的挑戰是增加贗電容器材料的質量負載，而不會犧牲每單位質量或體積的能量存儲容量。”

現有的超級電容器設計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，研究人員能夠將質量負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/平方厘米設備。

最重要的是，面電容隨著氧化錳的質量負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量負載下，電極的性能也不受離子擴散的限制。

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）

研究人員能夠將電極厚度增加到4毫米，而不會損失任何性能。他們設計了具有周期性孔結構的電極，該結構能夠使材料均勻沉積并且有效的離子擴散用于充電和放電。印刷結構是由石墨烯氣凝膠的圓柱形桿構成的晶格。除了晶格結構中的孔之外，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。

“這項研究的關鍵創新是使用3D打印來制造合理設計的結構，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說。 “這些發現驗證了使用3D打印制造儲能設備的新方法。”

用石墨烯氣凝膠/氧化錳電極制成的超級電容器裝置顯示出良好的循環穩定性，在20,000次充電和放電循環后保持超過90％的初始電容。 3D打印的石墨烯氣凝膠電極具有極大的設計靈活性，因為它們可以制成適合裝置所需的任何形狀。 LLNL開發的可印刷石墨烯基油墨具有超高的表面積，輕質特性，彈性和優異的導電性。

研究論文“超高MnO2負載的高效3D打印偽電容電極”于10月18日在焦耳發表。

來源：中國3D打印網