3D打印超級電容電極,性能與穩定性均強過以往

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3D虎 2018-12-14 11:50:54 14946
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除了電池之外,世界上還有許多儲存電力的方式,像是近年來如火如荼發展的超級電容就是其中一種,而現在美國科學家運用3D打印制造的石墨烯氣凝膠(graphene aerogel),帶來性能大幅提升……

  除了電池之外,世界上還有許多儲存電力的方式,像是近年來如火如荼發展的超級電容就是其中一種,而現在美國科學家運用3D打印制造的石墨烯氣凝膠(graphene aerogel),帶來性能大幅提升的3D多孔電容電極,每單位可儲存的電荷更超過以往的研究。


  超級電容是介于傳統電容與電池之間的儲電設備,雖然與電池相比,他們儲電容量較低,但其具有充電速度快、壽命長、耐高溫高壓且安全性高等優點,除了能量密度比一般電容更高,功率密度也優于其他電池。


  超級電容的儲電方式則分為兩種,分别是雙電層電容與僞電容(pseudocapacitor,也有人稱拟電容),前者是以高表面積的碳材料作為電極,電極材料隻用來吸收電荷,并不會與電解質發生反應,後者則是運用電極表面與電解質間的電化學反應來儲存電量,電力儲存方式與現有電池較為相像。


  其中加州大學聖塔克魯茲分校(UCSC)與勞倫斯利佛摩國家實驗室(LLNL)一直以來都想要利用 3D 打印石墨烯氣凝膠來打造僞電容電極,但這可不是件簡單的事。UCSC 化學與生化系教授 Yat Li 表示,目前面臨的挑戰在于,當電極厚度增加時,整體結構的離子擴散速度會下降,進而影響電容性能,因此團隊得在不影響儲存容量的情況下提升僞電容材料的質量負載(mass loading)。


Source:UCSC


  為此團隊利用 3D 打印的石墨烯氣凝膠打造多孔支架,再填入僞電容常用材料氧化錳,成功在電容質量負載取得突破。


  以往僞電容電極的氧化錳含量為每平方公分 10mg,而新電極可将含量提升至 100mg,且還不會影響性能。實驗指出,雖然電容面積會随着氧化錳含量與電極厚度提升而增加,但是電容的體積幾乎沒有改變,這表示即使提高電容的質量負載,離子擴散速度仍沒有下降。


  UCSC 研究生 Bin Yao 表示,在傳統超級電容工藝中,由于電極塗層厚度會影響性能,因此廠商都是運用非常薄的塗層與金屬來打造集電器,再以一層層堆棧方式來制造電容,隻不過這樣反而增加重量與成本。


  若使用團隊的新研究便能略過堆棧過程,研究員設計的多孔石墨烯氣凝膠晶格電極,除了能讓氧化錳材料均勻沉積、有效提升充放電的離子擴散效率,新方法還可以在不減少性能的情況下将電極厚度增加到 4mm。


  Yat Li 表示,實驗測試指出,新型電容電極的每單位儲存電荷量已超過以往的研究。而這項研究最主要的創新在于可利用 3D打印來制造電極結構,且新型電極的穩定性也相當高,在 2 萬次充放電循環後容量仍可維持 90%,3D打印的石墨烯氣凝膠電極設計靈活度也非常高,甚至可以印刷成任何形狀,有望提升超級電容的應用範圍,目前團隊已将研究發表在《Joule》。


(來源:EnergyTrend) 關鍵詞: 3D打印設備 3D打印 3D打印技術
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