“3D打印的超级电容器电极在实验室测试中打破记录”

加州大学圣克鲁斯分校和劳伦斯利弗莫尔国家研究所( llnl )的科学家们报告了超级电容器电极前所未有的性能结果。 研究人员利用可印刷的石墨烯气凝胶制造电极，构建了装有伪电容材料的多孔三维支架。

uc santa cruz的化学生化学教授yat li在实验室测试中表示，新型电极实现了超级电容器报告的最高面积的静电电容(每单位电极表面积储存的电荷)。 李和他的合作者在10月18日于焦耳发表的论文中报道了他们的发现。

作为能量存储装置，超级电容器的优点是在非常高速(几秒到几分钟)充电的同时，以数万次的充电循环保持其存储容量。 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，在相同空之间保持较少的能量，且不会长期保持电荷。 但是，由于超级电容器技术的进步，可以在更广泛的应用中与电池竞争。

在初期的事业中，ucsc和llnl的研究者展示了利用3d打印的石墨烯气凝胶制造的超高速超级电容器电极。 在这项新的研究中，我们改进了常用的伪电容材料石墨烯气凝胶来制造多孔支架，并搭载了氧化锰。

伪电容器是超级电容器，比通过电极表面的反应储存能量，通过双电层电容器和被称为edlc的静电机构储存能量的超级电容器更具有电池般的性能。

伪电容器的问题在于，如果增加电极的厚度，则块状结构中的离子扩散缓慢，因此容量迅速下降。 因此，在不牺牲每单位质量能量存储容量的情况下，增大伪电容器材料的质量负荷是一个课题。 或者量，李解释说。

这项新的研究表明在平衡伪电容器的质量负载和容量方面取得了突破。 研究人员可以在不影响性能的情况下，将质量负荷提高到每平方厘米100毫克以上氧化锰的记录水平，但商用设备的典型水平约为10毫克/平方厘米。

最重要的是，面容量随着氧化锰的质量负荷和电极的厚度而直线增加，每克的容量(重量容量)几乎不变。 这表明即使在这样高的质量负荷下，电极的性能也不受离子扩散的限制。

第一作者、加州大学圣克鲁斯分校li实验室的研究生bin yao解释说，在超级电容器以前就传入商业制造的过程中，作为集电体使用的薄金属片上应用了薄电极材料的涂层。 由于增加涂层的厚度会降低性能，因此将多张薄片层叠起来构建电容器，通过各层的金属集电体使重量和材料价格上升。

按照我们的做法，没有必要堆栈。 因为在不牺牲性能的情况下，通过加厚电极可以增加容量。 姚先生说。

研究人员可以在不损害性能的情况下将电极的厚度增加到4mm。 他们设计了具有周期性孔结构的电极，该结构可以在均匀堆积材料的同时将比较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构成的晶格。 除了格子结构中的孔外，棒本身是多孔的。 然后，在石墨烯气凝胶的晶格上电沉积氧化锰。

li表示，这项研究的重要创新是采用3d打印建立合理设计的结构，为模拟电容材料提供碳支架。 这些发现验证了利用3d打印制造储能设备的新做法。

使用石墨烯气凝胶/氧化锰电极的超级电容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维持90%以上的初始容量。 3d打印的石墨烯气凝胶电极可以制成装置所需的所有形状，所以设计自由度非常高。 lnl开发的可印刷石墨烯类油墨具有超高表面积、轻量特性、弹性和优异的导电性。

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