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3D 打印新工艺,性能大幅提升

2018-12-14 17:14:22 上海弘竣实业有限公司 阅读
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除了电池,世界上还有很多存储电力的方法。例如,近年来如火如荼的超级电容器就是其中之一。现在,美国科学家使用3D打印制成的石墨烯气凝胶,使3D多孔电容器电极具有极大改进的性能,可以比以前的研究存储更多的单位电荷。


超级电容器是传统电容器和电池之间的电存储设备。虽然它们比电池具有更低的存储容量,但它们具有快速充电速度、长寿命、高温和高压,以及高能量安全性。密度高于一般电容,功率密度优于其他电池。


超级电容器的存储方法分为两种类型,即双电层电容器和伪电容器(也称为伪电容器)。前者是作为电极的高表面积碳材料,电极材料仅用于吸收电荷,并且不与电解质反应。后者使用电极表面和电解质之间的电化学反应来储存电。电力存储方法类似于现有电池。


加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)长期以来一直希望使用3D打印的石墨烯气凝胶来制造伪电容器电极,但这不是一件简单的事情。根据UCSC化学与生物化学教授Yat Li的说法,现在的挑战是随着电极厚度的增加,整体结构的离子扩散速率降低,进而影响电容性能,因此团队可以增强伪电容器而不影响存储容量。材料的质量负荷。


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图片来源:UCSC


为此,该团队使用3D打印石墨烯气凝胶制作多孔支架,然后填充了伪电容器锰氧化物的普通材料,并成功实现了电容质量负载的突破。


过去,伪电容器电极的氧化锰含量为每平方厘米10毫克,而新电极的含量增加到100毫克而不影响性能。实验表明,尽管电容面积随着氧化锰含量和电极厚度的增加而增加,但电容器的体积几乎不变,这意味着即使电容器的质量负荷增加,离子扩散速度也不会降低。


UCSC研究生Bin Yao表示,在传统的超级电容器工艺中,由于电极涂层的厚度影响性能,制造商使用非常薄的涂层和金属来制造集电器,然后分层制造电容器。它只增加了重量和成本。如果团队的新研究可以用于跳过堆叠过程,研究人员设计的多孔石墨烯气凝胶晶格电极不仅可以使氧化锰材料均匀沉积、,而且可以提高充放电的离子扩散效率。也可以使用新方法。将电极厚度增加到4mm,性能降低。


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图片来源:UCSC


根据Yat Li的说法,实验测试表明,新电容器电极中存储的每单位电荷量已超过以往的研究。该研究的主要创新之处在于可以使用3D打印来制造电极结构,并且新电极的稳定性也很高。在20,000次充电和放电循环后,容量仍可保持在90%。3D打印石墨烯气体冷凝橡胶电极设计的灵活性也非常高,甚至可以打印成任何形状,这有望增加超级电容器的应用范围。该团队已经在《 Joule》上发表了该研究。




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