3D打印超級電容器顯示出承諾

電池通過電化學反應存儲電荷來工作。但這不是存儲電力的唯一方式。超級電容器中的電荷存儲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 - 電解質界面處的電子和離子電荷的靜電分離，電荷存儲在兩個板之間。最近，使用稱為偽電容的原理開發(fā)了第二種類型的超級電容器。贗電容器通過電極表面的電荷轉移或還原 - 氧化(氧化還原)過程來儲存能量，使其具有比EDLC超級電容器更像電池的性能。

超級電容器優(yōu)于電池，其包括非?？焖俚爻潆?在幾??秒到幾分鐘內)以及在數萬次充電循環(huán)中保持其存儲容量的能力。與鋰離子電池相比，它們在相同的空間內保持更少的能量。但是，能夠快速接受再生制動產生的電能并將其返回能量脈沖以便快速加速，這使得它們在與電池組配對時在性能電動車(EV)傳動系中具有吸引力。超級電容器吸收數千次充電循環(huán)的能力也保護鋰離子電池免受再生制動可能發(fā)生的充電和放電極值。

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贗電容超級電容器的進步顯示出更大的容量和更長的電荷保持能力。加州大學圣克魯茲分校(UCSC)和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員使用新的超級電容器電極報告了前所未有的性能結果。該團隊使用3D打印技術使用可印刷的石墨烯氣凝膠制造電極，構建一個多孔的三維支架，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，當增加電極的厚度時，由于散裝結構中離子擴散緩慢，電容會迅速下降，”加州大學圣克魯茲分校化學與生物化學教授Yat Li在一份大學新聞發(fā)布會上說。因此，挑戰(zhàn)在于增加贗電容器材料的質量負載而不犧牲每單位質量或體積的能量存儲容量，“Li解釋說。

在早期的工作中，UCSC和LLNL研究團隊證明超快速超級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，該團隊使用改進的石墨烯氣凝膠并使用3D打印來構建多孔支架，然后將其裝載有贗電容材料。根據UCSC的發(fā)布，“研究人員能夠將質量負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)設備的典型水平約為10毫克/平方厘米。”

不需要堆疊

在傳統的超級電容器中，將薄的電極材料涂層施加到用作集電器的薄金屬板上。增加涂層的厚度會導致性能下降，因為電荷通過較厚的涂層擴散需要更長的時間。因此，目前的商用超級電容器由多個薄板制成。由于每個級別需要金屬集電器，它們彼此堆疊以增加電容，增加重量和材料成本。

李博士是加州大學圣克魯茲分校實驗室的研究生，他解釋說：“通過我們的方法，我們不需要堆疊，因為我們可以通過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。“這項研究的關鍵創(chuàng)新是使用3D打印來制造合理設計的結構，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說。“這些發(fā)現驗證了使用3D打印制造儲能設備的新方法。”

打印氣凝膠

電極設計有周期性孔結構，使得材料能夠均勻沉積并且有效的離子擴散用于充電和放電。根據該發(fā)布，“印刷結構是由石墨烯氣凝膠的圓柱棒組成的晶格。除了晶格結構中的孔之外，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UCSC團隊稱，新型3D打印氣凝膠電極實現了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)。它們還表現出良好的循環(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。與電動汽車(EV)中的鋰離子電池合作，這些新型超級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。