加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家們報(bào)告了超級(jí)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(gè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這種新型電極實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容器所報(bào)告的最高面積電容(每單位電極表面積存儲(chǔ)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(bào)道了他們的發(fā)現(xiàn)。
作為能量存儲(chǔ)裝置，超級(jí)電容器具有非?？焖?幾秒到幾分鐘)充電并且通過(guò)數(shù)萬(wàn)次充電循環(huán)保持其存儲(chǔ)容量的優(yōu)點(diǎn)。它們用于電動(dòng)車輛和其他應(yīng)用中的再生制動(dòng)系統(tǒng)。與電池相比，它們?cè)谙嗤目臻g內(nèi)保持較少的能量，并且它們不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持電荷。但超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)步可以使它們?cè)诟鼜V泛的應(yīng)用中與電池競(jìng)爭(zhēng)。
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(jí)電容器電極。在這項(xiàng)新研究中，他們使用改進(jìn)的石墨烯氣凝膠來(lái)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(jí)電容器，通過(guò)電極表面的反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量，使其比主要通過(guò)靜電機(jī)制(稱為電雙層電容或EDLC)存儲(chǔ)能量的超級(jí)電容器具有更像電池的性能。
“贗電容器的問(wèn)題在于，當(dāng)增加電極的厚度時(shí)，由于體結(jié)構(gòu)中的離子擴(kuò)散緩慢，電容會(huì)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(chǔ)容量?；蛄浚袄罱忉屨f(shuō)。
這項(xiàng)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(guò)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(kuò)散的限制。
第一作者，位于加州大學(xué)圣克魯茲分校Li實(shí)驗(yàn)室的研究生Bin Yao解釋說(shuō)，在超級(jí)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?yàn)樵黾油繉拥暮穸葘?dǎo)致性能下降，所以堆疊多個(gè)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(guò)我們的方法，我們不需要堆疊，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)使電極更厚而不犧牲性能來(lái)增加電容，”Yao說(shuō)。
研究人員能夠?qū)㈦姌O厚度增加到4毫米，而不會(huì)損失任何性能。他們?cè)O(shè)計(jì)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(kuò)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(xiàng)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用3D打印來(lái)制造合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說(shuō)?！斑@些發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了使用3D打印制造儲(chǔ)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(jí)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(guò)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(jì)靈活性，因?yàn)樗鼈兛梢灾瞥蛇m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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