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3D打印的石墨烯支架为超级电容器提供了最高的电容

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论坛元老

36870 3dsishu 发表于 2018-10-26 10:30:04
加州大学圣克鲁兹分校和加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员发明了一种制造电容器的新制造技术。研究人员使用可印刷石墨烯气凝胶制作电极,以构建一个装有赝电容凝胶的多孔三维支架,这是一种电容器材料,在某些方面也像电池一样。在实验室测试中,新型电极实现了有史以来超级电容器报告的最高面积电容(每单位电极表面积存储的电荷)。
3d-printed-graphene-scaffold-offers-highest-ever-capacitance-for-a-supercapacitor-1.jpg
该示意图示出了3D印刷的石墨烯气凝胶/氧化锰超级电容器电极的制造。(信用:Yat Li等,Joule,2018)
作为能量存储装置,超级电容器具有非常快速(几秒到几分钟)充电并且通过数万次充电循环保持其存储容量的优点。它们用于电动车辆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保持较少的能量,并且它们不会长时间保持充电。但超级电容器技术的进步可以使它们在更广泛的应用中与电池竞争。
在早期的工作中,UCSC和LLNL的研究人员展示了使用3D打印的石墨烯气凝胶制造的超快超级电容器电极。在这项新研究中,他们使用改进的石墨烯气凝胶来制造多孔支架,然后装载氧化锰,这是一种常用的赝电容材料。

作为电化学电容器的一部分,赝电容器通过电极表面的反应来储存能量,从而提供更像电池的性能。

“赝电容器的问题在于,当你增加电极的厚度时,由于散装结构中的离子扩散缓慢,电容会迅速下降,”加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学教授Yat Li说。“因此,面临的挑战是增加赝电容器材料的质量负载,而不会牺牲每单位质量或体积的能量存储容量。”

现有的超级电容器设计通过将薄的电极材料涂层施加到用作集电器的薄金属板来解决该问题。使用具有多孔石墨烯的新型3D打印支架,研究人员能够将质量负荷增加到每平方厘米超过100毫克氧化锰的记录水平而不影响性能,而商用的典型水平约为10毫克/平方厘米设备。

最重要的是,面电容随着氧化锰的质量负载和电极厚度线性增加,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,电极的性能也不受离子扩散的限制。

3d-printed-graphene-scaffold-offers-highest-ever-capacitance-for-a-supercapacitor-2.jpg

该扫描电子显微镜图像显示3D打印的石墨烯气凝胶晶格的顶视图(比例尺:1毫米)。(图片来自Bin Yao)
研究人员能够将电极厚度增加到4毫米,而不会损失任何性能。他们设计了具有周期性孔结构的电极,该结构能够使材料均匀沉积并且有效的离子扩散用于充电和放电。印刷结构是由石墨烯气凝胶的圆柱形杆构成的晶格。除了晶格结构中的孔之外,棒本身是多孔的。然后将氧化锰电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打印来制造合理设计的结构,提供碳支架以支持赝电容材料,”Li说。“这些发现验证了使用3D打印制造储能设备的新方法。”

用石墨烯气凝胶/氧化锰电极制成的超级电容器装置显示出良好的循环稳定性,在20,000次充电和放电循环后保持超过90%的初始电容。3D打印的石墨烯气凝胶电极具有极大的设计灵活性,因为它们可以制成适合装置所需的任何形状。LLNL开发的可印刷石墨烯基油墨具有超高的表面积,轻质特性,弹性和优异的导电性。



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