科學(xué)家們近期報道了一種超級電容器電極的前所未有的性能結(jié)果。研究人員選用的是一種石墨烯氣凝膠材料，并利用3D打印機(jī)技術(shù)，構(gòu)建了一個裝有贗電容材料的多孔三維支架電極。在實(shí)驗(yàn)室測試中，新型電極實(shí)現(xiàn)了有史以來超級電容器報告中的最高面積電容（每單位電極表面積存儲的電荷）。
加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家們近期報告了一種超級電容器電極具有的前所未有的性能結(jié)果。研究人員選用的是一種石墨烯氣凝膠材料，并利用3D打印機(jī)技術(shù)，構(gòu)建了一個裝有贗電容材料的多孔三維支架電極。
加州大學(xué)圣克魯斯分校的化學(xué)和生物化學(xué)教授Yat Li表示，在實(shí)驗(yàn)室測試中，這種新型電極實(shí)現(xiàn)了有史以來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）。而關(guān)于這項研究的成果以及支架電極的制備，于10月18日其以論文的方式發(fā)表在了《Joule》。
說道超級電容器，其作為一種儲能設(shè)備，具有快速充電(幾秒到幾分鐘)，且可以通過數(shù)萬次充電循環(huán)后依然保持其存儲容量的優(yōu)點(diǎn)。而其應(yīng)用，多被用于電動汽車和其他應(yīng)用中的再生制動系統(tǒng)。與電池相比，它們不僅在相同的空間內(nèi)儲存的能量更少一些，而且它們的充電時間不長。但隨著超級電容器技術(shù)的進(jìn)步，其可能會有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，或許在某些領(lǐng)域上與電池形成競爭關(guān)系。
在早期的研究中，UCSC和LLNL的研究人員展示了利用3D打印技術(shù)制備這種石墨烯氣凝膠超快超級電容電極。在這項新研究中，他們主要使用了一種改進(jìn)的石墨烯氣凝膠材料來制造多孔支架，然后在支架上又裝載了種常用的贗電容材料–氧化錳，從而構(gòu)成了這種超快超級電容電極。
所謂的贗電容器，其實(shí)是一種超級電容器，其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(jī)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。
Yat Li還表示：“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(kuò)散緩慢，電容會迅速下降。因此，我們目前面臨的最大的挑戰(zhàn)就是如何在增加贗電容器材料的質(zhì)量負(fù)載的同時不犧牲其單位質(zhì)量或體積的能量存儲容量?！?/p>
針對以上的挑戰(zhàn)，Yat Li的新研究成果表明，他們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。即研究人員能夠在不影響性能的情況下，將質(zhì)量負(fù)荷提高到每平方厘米100毫克以上的氧化錳的記錄水平，而就目前的商用設(shè)備而言，質(zhì)量負(fù)荷平均水平為每平方厘米10毫克左右。
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。
論文的第一作者Bin Yao是加州大學(xué)圣克魯斯分校李教授實(shí)驗(yàn)室的一名研究生，他解釋說，在傳統(tǒng)的超級電容器的商業(yè)制造中，會將一層薄薄的電極材料涂層應(yīng)用到作為電流收集器的薄金屬片上。但是隨著涂層厚度的增加會導(dǎo)致性能下降，所以采用堆疊多個片材以構(gòu)建電容的方法，但是由于金屬集電體分布于在每一層，這不僅增加了整體重量，而且還增加了材料的成本。
Yao還表示：“通過我們的方法，我們不需要堆疊，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^使電極更厚同時，不犧牲性能來增加電容。”
具體而言，研究人員能夠?qū)㈦姌O厚度增加到4毫米，而沒有任何性能損失。而且他們設(shè)計了具有周期性孔結(jié)構(gòu)的電極，其不僅能夠使材料均勻沉積，而且可以有效的離子擴(kuò)散進(jìn)行充放電。其中，3D打印的結(jié)構(gòu)是由石墨烯氣凝膠的圓柱棒構(gòu)成的晶格。除了晶格結(jié)構(gòu)中的孔之外，棒本身也是多孔的。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)，提供一個碳支架以支持贗電容材料，”Li說，“這些發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了使用3D打印制造儲能設(shè)備的新方法?！?/p>
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)后依然可以保持超過90％的初始電容。3D打印的石墨烯氣凝膠電極也具有極大的設(shè)計靈活性，因?yàn)?D打印機(jī)技術(shù)可以制成適合裝置所需的任何形狀。而且LLNL開發(fā)的可打印的石墨烯基油墨具有超高的表面積，輕質(zhì)特性，彈性以及優(yōu)異的導(dǎo)電性。
