3D打印超級電容器顯示出承諾

電池通過電化學(xué)反應(yīng)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(zhì)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(zhuǎn)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，其包括非常快速地充電(在幾??秒到幾分鐘內(nèi))以及在數(shù)萬次充電循環(huán)中保持其存儲容量的能力。與鋰離子電池相比，它們在相同的空間內(nèi)保持更少的能量。但是，能夠快速接受再生制動產(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(shù)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(xué)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(jié)果。該團隊使用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，由于散裝結(jié)構(gòu)中離子擴散緩慢，電容會迅速下降，”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)布會上說。因此，挑戰(zhàn)在于增加贗電容器材料的質(zhì)量負載而不犧牲每單位質(zhì)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(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(dǎo)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(xué)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(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，”Li說。“這些發(fā)現(xiàn)驗證了使用3D打印制造儲能設(shè)備的新方法。”

打印氣凝膠

電極設(shè)計有周期性孔結(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團隊稱，新型3D打印氣凝膠電極實現(xiàn)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(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。