​加州大學聖克魯茲分校:3D打印石墨烯氣凝膠可制作強大的超級電容器

科學傢們近期報道瞭一種超級電容器電極的前所未有的性能結果。研究人員選用的是一種石墨烯氣凝膠材料,並利用3D打印機技術,構建瞭一個裝有贗電容材料的多孔三維支架電極。在實驗室測試中,新型電極實現瞭有史以來超級電容器報告中的最高面積電容(每單位電極表面積存儲的電荷)。

​加州大學聖克魯茲分校:3D打印石墨烯氣凝膠可制作強大的超級電容器

加州大學聖克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國傢實驗室(LLNL)的科學傢們近期報告瞭一種超級電容器電極具有的前所未有的性能結果。研究人員選用的是一種石墨烯氣凝膠材料,並利用3D打印機技術,構建瞭一個裝有贗電容材料的多孔三維支架電極。

加州大學聖克魯斯分校的化學和生物化學教授Yat Li表示,在實驗室測試中,這種新型電極實現瞭有史以來超級電容器所報告的最高面積電容(每單位電極表面積存儲的電荷)。而關於這項研究的成果以及支架電極的制備,於10月18日其以論文的方式發表在瞭《Joule》。

說道超級電容器,其作為一種儲能設備,具有快速充電(幾秒到幾分鐘),且可以通過數萬次充電循環後依然保持其存儲容量的優點。而其應用,多被用於電動汽車和其他應用中的再生制動系統。與電池相比,它們不僅在相同的空間內儲存的能量更少一些,而且它們的充電時間不長。但隨著超級電容器技術的進步,其可能會有更廣泛的應用領域,或許在某些領域上與電池形成競爭關系。

在早期的研究中,UCSC和LLNL的研究人員展示瞭利用3D打印技術制備這種石墨烯氣凝膠超快超級電容電極。在這項新研究中,他們主要使用瞭一種改進的石墨烯氣凝膠材料來制造多孔支架,然後在支架上又裝載瞭種常用的贗電容材料–氧化錳,從而構成瞭這種超快超級電容電極。

所謂的贗電容器,其實是一種超級電容器,其通過電極表面的反應來存儲能量,使其比主要通過靜電機制(稱為電雙層電容或EDLC)存儲能量的超級電容器具有更像電池的性能。

Yat Li還表示:“贗電容器的問題在於,當增加電極的厚度時,由於體結構中的離子擴散緩慢,電容會迅速下降。因此,我們目前面臨的最大的挑戰就是如何在增加贗電容器材料的質量負載的同時不犧牲其單位質量或體積的能量存儲容量。”

針對以上的挑戰,Yat Li的新研究成果表明,他們在平衡贗電容器中的質量負載和電容方面取得瞭突破。即研究人員能夠在不影響性能的情況下,將質量負荷提高到每平方厘米100毫克以上的氧化錳的記錄水平,而就目前的商用設備而言,質量負荷平均水平為每平方厘米10毫克左右。

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。

論文的第一作者Bin Yao是加州大學聖克魯斯分校李教授實驗室的一名研究生,他解釋說,在傳統的超級電容器的商業制造中,會將一層薄薄的電極材料塗層應用到作為電流收集器的薄金屬片上。但是隨著塗層厚度的增加會導致性能下降,所以采用堆疊多個片材以構建電容的方法,但是由於金屬集電體分佈於在每一層,這不僅增加瞭整體重量,而且還增加瞭材料的成本。

Yao還表示:“通過我們的方法,我們不需要堆疊,因為我們可以通過使電極更厚同時,不犧牲性能來增加電容。”

具體而言,研究人員能夠將電極厚度增加到4毫米,而沒有任何性能損失。而且他們設計瞭具有周期性孔結構的電極,其不僅能夠使材料均勻沉積,而且可以有效的離子擴散進行充放電。其中,3D打印的結構是由石墨烯氣凝膠的圓柱棒構成的晶格。除瞭晶格結構中的孔之外,棒本身也是多孔的。然後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,提供一個碳支架以支持贗電容材料,”Li說,“這些發現驗證瞭使用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次充電和放電循環後依然可以保持超過90%的初始電容。3D打印的石墨烯氣凝膠電極也具有極大的設計靈活性,因為3D打印機技術可以制成適合裝置所需的任何形狀。而且LLNL開發的可打印的石墨烯基油墨具有超高的表面積,輕質特性,彈性以及優異的導電性。

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