3d打印超级电容电极在实验室测试中打破记录

加州大学圣克鲁斯分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(L LN L)的科学家报告了超级电容器电极的前所未有的性能结果。 研究人员利用可打印的石墨烯气凝胶制造电极,构建一种负载假电容材料的多孔三维支架。

加州大学圣克鲁斯分校的化学和生物化学教授李亚特说,在实验室测试中,这种新型电极的面积电容(每单位电极表面积储存的电荷)是超级电容器的最高纪录。 李和他的合作者在10月18日在焦耳发表的一篇论文中报告了他们的发现。

作为储能设备,超级电容器具有充电非常迅速(以秒到分钟为单位)和通过数万次充电周期保持其存储容量的优点.. 它们用于电动汽车和其他应用中的再生制动系统。 与电池相比,它们在相同的空间中保持较少的能量,并且它们不能保持充电时间长。 但超级电容器技术的进步可以使它们在更广泛的应用范围内与电池竞争。

在早期的工作中,UCSC和LLNL研究人员展示了使用三维打印石墨烯气凝胶制备的超快超级电容器电极。 在新的研究中,他们使用改进的石墨烯气凝胶来构建一个多孔支架,然后负载锰氧化物,这是一种常用的材料。

伪电容是一种超级电容器,通过电极表面的反应储存能量,使其比主要通过静电机制(称为电双层电容,或EDLC)储存能量的超级电容器具有更多的电池性能。

“伪电容的问题在于,当电极厚度增加时,由于体积结构中离子扩散缓慢,电容迅速减小。 因此,挑战是在不牺牲其单位质量或体积储能能力的情况下,增加伪电容材料的质量负荷。

新的研究表明,在平衡质量负载和电容的伪电容方面取得了突破。 研究人员能够增加质量负荷,以记录每平方厘米100毫克以上的锰氧化物水平,而不损害性能,相比之下,商业设备的典型水平约为每平方厘米10毫克。

最重要的是,面积电容随氧化锰的质量负载和电极厚度呈线性增加,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。

第一作者姚斌,加州大学圣克鲁斯分校李氏实验室的研究生,解释说,在传统的超级电容器的商业制造中,电极材料的薄涂层被应用于作为电流收集器的薄金属片.. 由于涂层厚度的增加导致性能下降,多片被堆叠以建立电容,增加重量和材料成本,因为金属电流收集器在每一层。

姚明说:“通过我们的方法,我们不需要堆叠,因为我们可以通过在不牺牲性能的情况下使电极变厚来增加电容。”

研究人员能够将电极的厚度增加到4毫米,而不会失去任何性能。 他们设计了具有周期性孔结构的电极,使材料均匀沉积和有效的离子扩散充放电。 印刷结构是由石墨烯气凝胶的圆柱形棒组成的晶格。 棒本身是多孔的,除了晶格结构中的孔隙。 然后将氧化锰电沉积在石墨烯气凝胶晶格上。

李说:“本研究的主要创新是利用三维打印技术制造出一种设计合理的结构,提供一种碳支架来支撑伪电容材料。” “这些发现验证了一种利用三维打印制造储能装置的新方法。”

用石墨烯气凝胶/氧化锰电极制成的超级电容器器件具有良好的循环稳定性,充放电循环20,000次后保持了90%以上的初始电容。 三维打印的石墨烯气凝胶电极允许巨大的设计灵活性,因为它们可以以任何形状制成,以适应一个设备。 在LL NL上开发的可打印石墨烯基油墨提供了超高的比表面积、轻质性能、弹性和优越的导电性。

版权声明:转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请作者持权属证明与本网联系,我们将及时更正、删除,谢谢您的支持与理解。