3D打印石墨烯气凝胶可制作强大的超级电容器

超级电容器是能量存储装置，其非常快速地充电并且可以通过数万次充电循环来保持其存储容量。它们的应用包括电动汽车的再生制动系统。它们在与电池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。在一项题为“高效3D打印的具有超高MnO2负载的Pseudocapacitive电极”的研究中，加州大学圣克鲁兹分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一组研究人员从超级电容器电极获得了前所未有的性能。电极由3D打印石墨烯气凝胶制成，其用于构建装载有赝电容材料的多孔3D支架。

在测试中，电极实现了超级电容器所报告的最高面积电容。在早期的一项研究中，研究人员实现了由石墨烯气凝胶3D打印的超快速超级电容器电极。这次，他们使用改进的石墨烯气凝胶来构建载有氧化锰的多孔支架。

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（称为电双层电容或EDLC）存储能量的超级电容器具有更像电池的性能。“赝电容器的问题在于，当你增加电极的厚度时，由于散装结构中的离子扩散缓慢，电容会迅速下降，”UC Santa Cruz化学与生物化学教授Yat Li说。 “因此，面临的挑战是增加赝电容器材料的质量负载，而不会牺牲每单位质量或体积的能量存储容量。”

该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。研究人员将质量负荷增加到每平方厘米超过100毫克氧化锰的记录水平而不影响性能，与商业设备相比有了大幅提升，商用设备的水平约为每平方厘米10毫克。面积电容也随着氧化锰的质量负载和电极厚度线性增加，而每克电容（重量电容）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。

根据研究生Bin Lao的说法，在传统的超级电容器制造中，将薄的电极材料涂层应用于作为集电器的薄金属板上。增加涂层的厚度会导致性能下降，因此堆叠多个板以构建电容，增加重量和材料成本。

“通过我们的方法，我们不需要堆叠，因为我们可以通过使电极更厚而不牺牲性能来增加电容。研究人员设法将电极的厚度增加到4毫米而不牺牲性能。设计具有周期性孔结构的电极，其允许材料的均匀沉积和用于充电和放电的有效离子分布。印刷结构本身是由石墨烯气凝胶的圆柱形多孔棒制成的格子。然后将氧化锰沉积在晶格上。

点评：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，这些发现验证了使用3D打印制造储能设备的新方法。使用电极制成的超级电容器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保持90％以上的初始电容。 3D打印电极具有大量的设计灵活性，石墨烯基油墨具有超高的表面积，轻质特性，弹性和优异的导电性。