加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學(xué)家們報告了超級電容器電極的前所未有的性能結(jié)果。研究人員使用可印刷的石墨烯氣凝膠制造電極，以構(gòu)建一個裝有贗電容材料的多孔三維支架。
UC Santa Cruz化學(xué)與生物化學(xué)教授Yat Li表示，在實驗室測試中，這種新型電極實現(xiàn)了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)。李和他的合作者在10月18日在焦耳發(fā)表的一篇論文中報道了他們的發(fā)現(xiàn)。
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(shù)萬次充電循環(huán)保持其存儲容量的優(yōu)點。它們用于電動車輛和其他應(yīng)用中的再生制動系統(tǒng)。與電池相比，它們在相同的空間內(nèi)保持較少的能量，并且它們不會長時間保持電荷。但超級電容器技術(shù)的進步可以使它們在更廣泛的應(yīng)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。
贗電容器是一種超級電容器，通過電極表面的反應(yīng)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。
“贗電容器的問題在于，當(dāng)增加電極的厚度時，由于體結(jié)構(gòu)中的離子擴散緩慢，電容會迅速下降。因此，挑戰(zhàn)是增加贗電容器材料的質(zhì)量負(fù)載而不犧牲每單位質(zhì)量的能量存儲容量?；蛄?，“李解釋說。
這項新研究表明在平衡贗電容器中的質(zhì)量負(fù)載和電容方面取得了突破。研究人員能夠?qū)①|(zhì)量負(fù)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，而商用設(shè)備的典型水平約為10毫克/平方厘米。
最重要的是，面電容隨著氧化錳的質(zhì)量負(fù)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(zhì)量負(fù)載下，電極的性能也不受離子擴散的限制。
第一作者，位于加州大學(xué)圣克魯茲分校Li實驗室的研究生Bin Yao解釋說，在超級電容器的傳統(tǒng)商業(yè)制造中，將薄的電極材料涂層應(yīng)用于用作集電器的薄金屬片。因為增加涂層的厚度導(dǎo)致性能下降，所以堆疊多個片材以構(gòu)建電容，由于每層中的金屬集電器而增加了重量和材料成本。
“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而不犧牲性能來增加電容，”Yao說。
研究人員能夠?qū)㈦姌O厚度增加到4毫米，而不會損失任何性能。他們設(shè)計了具有周期性孔結(jié)構(gòu)的電極，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是由石墨烯氣凝膠的圓柱形桿組成的晶格。除了晶格結(jié)構(gòu)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(guān)鍵創(chuàng)新是使用3D打印來制造合理設(shè)計的結(jié)構(gòu)，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說?！斑@些發(fā)現(xiàn)驗證了使用3D打印制造儲能設(shè)備的新方法?！?/span>
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(huán)穩(wěn)定性，在20,000次充電和放電循環(huán)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(shè)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(fā)的可印刷石墨烯基油墨具有超高的表面積，輕質(zhì)特性，彈性和優(yōu)異的導(dǎo)電性。
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