3D打印的超级电容器电极在实验室测试中打破记录

加州大学圣克鲁兹分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们报告了超级电容器电极的前所未有的性能结果。研究人员使用可印刷的石墨烯气凝胶制造电极，以构建一个装有赝电容材料的多孔三维支架。

UCSantaCruz化学与生物化学教授YatLi表示，在实验室测试中，这种新型电极实现了超级电容器所报告的最高面积电容(每单位电极表面积存储的电荷)。李和他的合作者在10月18日在焦耳发表的一篇论文中报道了他们的发现。

作为能量存储装置，超级电容器具有非常快速(几秒到几分钟)充电并且通过数万次充电循环保持其存储容量的优点。它们用于电动车辆和其他应用中的再生制动系统。与电池相比，它们在相同的空间内保持较少的能量，并且它们不会长时间保持电荷。但超级电容器技术的进步可以使它们在更广泛的应用中与电池竞争。

在早期的工作中，UCSC和LLNL的研究人员展示了使用3D打印的石墨烯气凝胶制造的超快超级电容器电极。在这项新研究中，他们使用改进的石墨烯气凝胶来制造多孔支架，然后装载氧化锰，这是一种常用的赝电容材料。

赝电容器是一种超级电容器，通过电极表面的反应来存储能量，使其比主要通过静电机制(称为电双层电容或EDLC)存储能量的超级电容器具有更像电池的性能。

“赝电容器的问题在于，当增加电极的厚度时，由于体结构中的离子扩散缓慢，电容会迅速下降。因此，挑战是增加赝电容器材料的质量负载而不牺牲每单位质量的能量存储容量。或量，“李解释说。

这项新研究表明在平衡赝电容器中的质量负载和电容方面取得了突破。研究人员能够将质量负荷增加到每平方厘米超过100毫克氧化锰的记录水平而不影响性能，而商用设备的典型水平约为10毫克/平方厘米。

最重要的是，面电容随着氧化锰的质量负载和电极厚度线性增加，而每克电容(重量电容)几乎保持不变。这表明即使在如此高的质量负载下，电极的性能也不受离子扩散的限制。

第一作者，位于加州大学圣克鲁兹分校Li实验室的研究生BinYao解释说，在超级电容器的传统商业制造中，将薄的电极材料涂层应用于用作集电器的薄金属片。因为增加涂层的厚度导致性能下降，所以堆叠多个片材以构建电容，由于每层中的金属集电器而增加了重量和材料成本。

“通过我们的方法，我们不需要堆叠，因为我们可以通过使电极更厚而不牺牲性能来增加电容，”Yao说。

研究人员能够将电极厚度增加到4毫米，而不会损失任何性能。他们设计了具有周期性孔结构的电极，该结构能够使材料均匀沉积并且有效的离子扩散用于充电和放电。印刷结构是由石墨烯气凝胶的圆柱形杆组成的晶格。除了晶格结构中的孔之外，棒本身是多孔的。然后将氧化锰电沉积到石墨烯气凝胶晶格上。

“这项研究的关键创新是使用3D打印来制造合理设计的结构，提供碳支架以支持赝电容材料，”Li说。“这些发现验证了使用3D打印制造储能设备的新方法。”

用石墨烯气凝胶/氧化锰电极制成的超级电容器装置显示出良好的循环稳定性，在20,000次充电和放电循环后保持超过90%的初始电容。3D打印的石墨烯气凝胶电极具有极大的设计灵活性，因为它们可以制成适合装置所需的任何形状。LLNL开发的可印刷石墨烯基油墨具有超高的表面积，轻质特性，弹性和优异的导电性。