現(xiàn)如今在電子領(lǐng)域，電池的續(xù)航能力顯得尤為重要。無論是智能手機還是平板電腦，人們都希望擁有盡可能長的電池續(xù)航能力，而不少科技公司也在這方面進行大力的研發(fā)工作。
近期，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科學(xué)家報告了超級電容器電機前所未有的性能結(jié)果，研究人員使用可印刷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。
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。
在早期的實驗中，研究人員展示了使用3D打印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，這是一種常見的贗電容材料。
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存儲能量的超級電容器具有更像電池的性能。但是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)載而不是犧牲每單位質(zhì)量的能量存儲容量。
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)量符合增加到每平方厘米超過100毫克氧化錳的水平而不影響性能，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，贗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。
研究人員提到，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)用于作為集電器的薄金屬片。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。
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。除晶格結(jié)構(gòu)中的孔之外，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。這種電容器具有超過的表面積，輕質(zhì)特性以及優(yōu)異的導(dǎo)電性，在未來的商用中會發(fā)揮出不俗的性能。
