3D打印石墨烯氣凝膠可制作強大的超級電容器

超級電容器是能量存儲裝置，其非�？焖俚爻潆姴⑶铱梢酝ㄟ^數(shù)萬次充電循環(huán)來保持其存儲容量。它們的應(yīng)用包括電動汽車的再生制動系統(tǒng)。它們在與電池相同的空間內(nèi)保持較少的能量，并且它們不會長時間保持充電 - 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。在一項題為“高效3D打印的具有超高MnO2負載的Pseudocapacitive電極”的研究中，加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一組研究人員從超級電容器電極獲得了前所未有的性能。電極由3D打印石墨烯氣凝膠制成，其用于構(gòu)建裝載有贗電容材料的多孔3D支架。

在測試中，電極實現(xiàn)了超級電容器所報告的最高面積電容。在早期的一項研究中，研究人員實現(xiàn)了由石墨烯氣凝膠3D打印的超快速超級電容器電極。這次，他們使用改進的石墨烯氣凝膠來構(gòu)建載有氧化錳的多孔支架。

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，當你增加電極的厚度時，由于散裝結(jié)構(gòu)中的離子擴散緩慢，電容會迅速下降，”UC Santa Cruz化學(xué)與生物化學(xué)教授Yat Li說。 “因此，面臨的挑戰(zhàn)是增加贗電容器材料的質(zhì)量負載，而不會犧牲每單位質(zhì)量或體積的能量存儲容量�！�

該研究表明在平衡贗電容器中的質(zhì)量負載和電容方面取得了突破。研究人員將質(zhì)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，與商業(yè)設(shè)備相比有了大幅提升，商用設(shè)備的水平約為每平方厘米10毫克。面積電容也隨著氧化錳的質(zhì)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(zhì)量負載下，電極的性能也不受離子擴散的限制。

根據(jù)研究生Bin Lao的說法，在傳統(tǒng)的超級電容器制造中，將薄的電極材料涂層應(yīng)用于作為集電器的薄金屬板上。增加涂層的厚度會導(dǎo)致性能下降，因此堆疊多個板以構(gòu)建電容，增加重量和材料成本。

“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。研究人員設(shè)法將電極的厚度增加到4毫米而不犧牲性能。設(shè)計具有周期性孔結(jié)構(gòu)的電極，其允許材料的均勻沉積和用于充電和放電的有效離子分布。印刷結(jié)構(gòu)本身是由石墨烯氣凝膠的圓柱形多孔棒制成的格子。然后將氧化錳沉積在晶格上。

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，這些發(fā)現(xiàn)驗證了使用3D打印制造儲能設(shè)備的新方法。使用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90％以上的初始電容。 3D打印電極具有大量的設(shè)計靈活性，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。

來源：中國3D打印網(wǎng)