​3D打印的超級電容器研發成功

現如今在電子領域,電池的續航能力顯得尤為重要。無論是智能手機還是平板電腦,人們都希望擁有盡可能長的電池續航能力,而不少科技公司也在這方面進行大力的研發工作。

近期,加州大學聖克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國傢實驗室的科學傢報告瞭超級電容器電機前所未有的性能結果,研究人員使用可印刷石墨烯氣凝膠制造電極,以構建一個裝有贗電容材料的多孔三維支架。

​3D打印的超級電容器研發成功

與電池相比,它們在相同的空間內保持較少的能量,並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。

在早期的實驗中,研究人員展示瞭使用3D打印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,他們改進的石墨烯氣凝膠來制造多孔支架,然後裝載氧化錳,這是一種常見的贗電容材料。

贗電容器是一種超級電容器,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存儲能量的超級電容器具有更像電池的性能。但是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,挑戰是增加贗電容器材料的質量負載而不是犧牲每單位質量的能量存儲容量。

這項新研究表明,在平衡贗電容器中的質量負載和電容方面取得瞭突破,研究人員能夠將質量符合增加到每平方厘米超過100毫克氧化錳的水平而不影響性能,而商用設備的典型水平約為10毫克/平方厘米。

最重要的是,贗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。

研究人員提到,在超級電容器的傳統商業制造中,將薄的電極材料塗層應用於作為集電器的薄金屬片。因為增加塗層的厚度導致性能下降,所以堆疊多個片材以構建電容,由於每層中的金屬集電器而增加瞭重量和材料成本。

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。他們設計瞭具有周期性孔結構的電極,該結構能夠使材料均勻沉積並且有效的離子擴散用於充電和放電。除晶格結構中的孔之外,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。這種電容器具有超過的表面積,輕質特性以及優異的導電性,在未來的商用中會發揮出不俗的性能。

相关文章