3D打印超級(jí)電容器顯示出承諾

電池通過電化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)電荷來工作。但這不是存儲(chǔ)電力的唯一方式。超級(jí)電容器中的電荷存儲(chǔ)可以通過兩種方法中的一種或兩種來完成。在雙電層電容(EDLC)中，由于電極 - 電解質(zhì)界面處的電子和離子電荷的靜電分離，電荷存儲(chǔ)在兩個(gè)板之間。最近，使用稱為偽電容的原理開發(fā)了第二種類型的超級(jí)電容器。贗電容器通過電極表面的電荷轉(zhuǎn)移或還原 - 氧化(氧化還原)過程來儲(chǔ)存能量，使其具有比EDLC超級(jí)電容器更像電池的性能。

超級(jí)電容器優(yōu)于電池，其包括非?？焖俚爻潆?在幾??秒到幾分鐘內(nèi))以及在數(shù)萬次充電循環(huán)中保持其存儲(chǔ)容量的能力。與鋰離子電池相比，它們?cè)谙嗤目臻g內(nèi)保持更少的能量。但是，能夠快速接受再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能并將其返回能量脈沖以便快速加速，這使得它們?cè)谂c電池組配對(duì)時(shí)在性能電動(dòng)車(EV)傳動(dòng)系中具有吸引力。超級(jí)電容器吸收數(shù)千次充電循環(huán)的能力也保護(hù)鋰離子電池免受再生制動(dòng)可能發(fā)生的充電和放電極值。

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贗電容超級(jí)電容器的進(jìn)步顯示出更大的容量和更長的電荷保持能力。加州大學(xué)圣克魯茲分校(UCSC)和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員使用新的超級(jí)電容器電極報(bào)告了前所未有的性能結(jié)果。該團(tuán)隊(duì)使用3D打印技術(shù)使用可印刷的石墨烯氣凝膠制造電極，構(gòu)建一個(gè)多孔的三維支架，其中裝載有氧化錳 - 一種常用的贗電容材料。

“贗電容器的問題在于，當(dāng)增加電極的厚度時(shí)，由于散裝結(jié)構(gòu)中離子擴(kuò)散緩慢，電容會(huì)迅速下降，”加州大學(xué)圣克魯茲分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)教授Yat Li在一份大學(xué)新聞發(fā)布會(huì)上說。因此，挑戰(zhàn)在于增加贗電容器材料的質(zhì)量負(fù)載而不犧牲每單位質(zhì)量或體積的能量存儲(chǔ)容量，“Li解釋說。

在早期的工作中，UCSC和LLNL研究團(tuán)隊(duì)證明超快速超級(jí)電容器電極可以使用3D打印的石墨烯氣凝膠制造。在新的工作中，該團(tuán)隊(duì)使用改進(jìn)的石墨烯氣凝膠并使用3D打印來構(gòu)建多孔支架，然后將其裝載有贗電容材料。根據(jù)UCSC的發(fā)布，“研究人員能夠?qū)①|(zhì)量負(fù)荷提高到每平方厘米超過100毫克氧化錳的水平而不影響性能，而商業(yè)設(shè)備的典型水平約為10毫克/平方厘米。”

不需要堆疊

在傳統(tǒng)的超級(jí)電容器中，將薄的電極材料涂層施加到用作集電器的薄金屬板上。增加涂層的厚度會(huì)導(dǎo)致性能下降，因?yàn)殡姾赏ㄟ^較厚的涂層擴(kuò)散需要更長的時(shí)間。因此，目前的商用超級(jí)電容器由多個(gè)薄板制成。由于每個(gè)級(jí)別需要金屬集電器，它們彼此堆疊以增加電容，增加重量和材料成本。

李博士是加州大學(xué)圣克魯茲分校實(shí)驗(yàn)室的研究生，他解釋說：“通過我們的方法，我們不需要堆疊，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^在不犧牲性能的情況下使電極更厚來增加電容。”

UCSC版本描述了電極厚度增加到4毫米而沒有任何性能損失。“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用3D打印來制造合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說。“這些發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了使用3D打印制造儲(chǔ)能設(shè)備的新方法。”

打印氣凝膠

電極設(shè)計(jì)有周期性孔結(jié)構(gòu)，使得材料能夠均勻沉積并且有效的離子擴(kuò)散用于充電和放電。根據(jù)該發(fā)布，“印刷結(jié)構(gòu)是由石墨烯氣凝膠的圓柱棒組成的晶格。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。“

據(jù)UCSC團(tuán)隊(duì)稱，新型3D打印氣凝膠電極實(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)。它們還表現(xiàn)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。與電動(dòng)汽車(EV)中的鋰離子電池合作，這些新型超級(jí)電容器可以提供快速加速所需的突發(fā)功率，而電池組則提供長距離所需的能量存儲(chǔ)。