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3D打印石墨烯气凝胶实现最高能量密度超级电容器
2018-10-29


[IEEE波普网站20181023日报道]  在石墨烯发展时间线上看起来有点失误之后,石墨烯超级电容器有望取得重大进展。加利福尼亚大学圣克鲁兹分校(UCSC)和劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)的研究人员开发出一种用石墨烯气凝胶制成的超级电容器电极。新型超级电容器组件具有最高的面积比电容(每单位表面积存储的电荷),曾被作为超级电容器报告过。



用来制作石墨烯电极的3D打印技术可能最终解决了超级电容器电极的重力(重量),面积(表面积)和体积(总体积)电容之间的平衡,这以前被认为是不可避免的。



在先前使用具有高表面积的纯石墨烯气凝胶电极中,体积电容总是受到影响。这个问题通常因3D打印的石墨烯气凝胶电极而恶化;由于印刷细 丝之间存在周期性的大孔,因此体积电容进一步降低。

这项工作首次证明了3D打印技术可以避开这个难题,加利福尼亚大学教授兼本研究论文合作者Yat
Li
说。该论文发表在《华尔街日报》。据Yat
Li
介绍,这是第一次在不牺牲电化学性能的情况下活性物质实现了超过180毫克每平方厘米的高质量负载。



“通过将更多的纳米材料填充到这种多孔石墨烯支架中,并增加了它们的密度,我们已成功解决了3D打印石墨烯气凝胶电极中的低体积电容问题。”Li说。“我们的3D打印石墨烯气凝胶/
MnO2
电极已实现高体积电容,比纯石墨烯气凝胶电极高出数百。”



Li表示,他们所获得的这些质量负荷比学术界此前的报道高两到三个数量级。这些结果可能对能量存储器件的未来至关重要。迄今为止,由于电极内的离子扩散不足,当质量负荷增加时,大多数材料的能量储存能力大部分丧失。这项工作还证实了“印刷”超级电容器电极的概念,导致超级电容器制造的革命。



这项最新研究发生在前几年一系列故事之后,其中石墨烯超级电容器的能量密度(每单位质量存储的能量)达到了更高的数值。2015年,韩国研究人员声称已经为装有石墨烯电极的超级电容器实现了131Wh/kg的能量密度,几乎达到了最高点。当时,使用其他材料为电极的最先进超级电容器平均为28
Wh/kg
。虽然131
Wh/kg
超过了超级电容器平均能量密度的四倍,但仍远低于锂离子电池的200-Wh/kg平均值。



发起基于石墨烯的超级电容器的能量密度研发竞赛的部分原因是,有些人认为超级电容器的充电速度比锂离子电池快得多,因此有可能成为电动汽车动力的合适替代品。原因在于,如果超级电容器可以取代锂离子电池,那么驾驶电动就像驾驶汽油动力汽车一样:你去一个充电站,你用汽油装满汽车的时候,也可以为你的电动车充满电。虽然这个目标并没有消失,但很多人发现很难看出超级电容器如何能够满足这个要求。



最初,这些最新的3D打印石墨烯气凝胶电极的能量密度数值可能不会改变怀疑论者对电动汽车超级电容器前景的展望。Li表示,UCSC
/ LLNL
团队的测量结果表明,这些新电极在功率密度为0.55
W/kg
时的最大能量密度为4.3
Wh/kg
,最大功率密度为89.4
W/kg
时能量密度为1.3Wh/kg



这些数字似乎显着低于几年前石墨烯超级电容器报告的数字。然而,Li指出,他们的装置的测量是在182.2mg
/ cm2
的质量载荷下进行的。相比之下,先前器件的较高能量密度是在极低的活性材料负载(低于1
mg / cm2
)下进行的,其电子传输和离子扩散比在较高质量负载下更有效。据Li说,以上因素使最新超级电容器的能量密度居于目前先进超级电容器的中间位置。



“这些具有高面积能量密度的超级电容器在可用表面积有限的应用中非常有前途,例如人体的总表面积有限的可穿戴式储能装置。这些超级电容器还在电动汽车应用中具有潜力,因为它们即使在超高质量负载下也具有令人印象深刻的电化学性能。”Li说。



Li指出,到目前为止他们制造的电极是对称的,这意味着电极由相同的材料制成。当使用不同材料制造不对称超级电容器用于两个电极时,能量密度可以进一步改善,导致更高的工作电压和能量密度。



虽然任何电池存储技术的实验室结果都很有希望,但商用电池技术的工程设计却很复杂。在实验室中有希望的可能导致工程噩梦。Li承认,这些3D石墨烯气凝胶在商业应用具有一系列挑战。



首先,这些电极的大规模生产将消耗大量石墨烯或氧化石墨烯材料,这些材料目前在全世界范围内不广泛使用。其次,石墨烯和氧化石墨烯纳米片的价格高,阻碍了它们在工业中的广泛应用。



Li指出,3D打印方法提供了一种新的、更简单的方法来制造具有设计形状的超级电容器电极,这可以满足特定要求的特殊应用。



在展示了对称超级电容器之后,Li说下一步将是制造不对称超级电容器。目前,研究人员已经能够在这些极端高质量负载下仅制造对称超级电容器件,因为他们无法找到能够匹配其3D打印石墨烯阴极材料的超高面电容的合适阳极材料。



Li补充说,该团队正在通过寻找可能的候选材料继续这项研究。(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)



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