3D打印的超级电容器研发成功压铸件

2020-05-20 05:28

现如今在电子领域,电池的续航能力显得尤为重要。无论是智能手机还是平板电脑,人们都希望拥有尽可能长的电池续航能力,而不少科技公司也在这方面进行大力的研发工作。

近期,加州大学圣克鲁兹分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家报告了超级电容器电机前所未有的性能结果,研究人员使用可印刷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。

研究人员提到,在实验室测试中,这种新型电极实现了有史以来超级电容器所报告的最高面积电容。作为能量存储装置,超级电容器具有非常快速充电并且通过数万次充电循环保持其存储容量的优点。它们可以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充电,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。

在早期的实验中,研究人员展示了使用3D打印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,这是一种常见的赝电容材料。

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存储能量的超级电容器具有更像电池的性能。但是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是牺牲每单位质量的能量存储容量。

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符合增加到每平方厘米超过100毫克氧化锰的水平而不影响性能,而商用设备的典型水平约为10毫克/平方厘米。

最重要的是,赝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。

研究人员提到,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作为集电器的薄金属片。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。

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。除晶格结构中的孔之外,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。这种电容器具有超过的表面积,轻质特性以及优异的导电性,在未来的商用中会发挥出不俗的性能。

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