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除了电池之外,世界上还有许多储存电力的方式,像是近年来如火如荼发展的超级电容就是其中一种,而现在美国科学家运用3d制造的石墨烯气凝胶(grapheneaerogel),带来性能大幅提升的3d多孔电容电极,每单位可储存的电荷更超过以往的研究。

超级电容是介于传统电容与电池之间的储电设备,虽然与电池相比,他们储电容量较低,但其具有充电速度快、寿命长、耐高温高压且安全性高等优点,除了能量密度比一般电容更高,功率密度也优于其他电池。

超级电容的储电方式则分为两种,分别是双电层电容与伪电容(pseudocapacitor,也有人称拟电容),前者是以高表面积的碳材料作为电极,电极材料只用来吸收电荷,并不会与电解质发生反应,后者则是运用电极表面与电解质间的电化学反应来储存电量,电力储存方式与现有电池较为相像。

其中加州大学圣塔克鲁兹分校(ucsc)与劳伦斯利佛摩实验室(llnl)一直以来都想要利用3d打印石墨烯气凝胶来打造伪电容电极,但这可不是件简单的事。ucsc化学与生化系教授yatli表示,目前面临的挑战在于,当电极厚度增加时,整体结构的离子扩散速度会下降,进而影响电容性能,因此团队得在不影响储存容量的情况下提升伪电容材料的质量负载(massloading)。

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(source:ucsc)

为此团队利用3d打印的石墨烯气凝胶打造多孔支架,再填入伪电容常用材料氧化锰,成功在电容质量负载取得突破。

以往伪电容电极的氧化锰含量为每平方公分10mg,而新电极可将含量提升至100mg,且还不会影响性能。实验指出,虽然电容面积会随着氧化锰含量与电极厚度提升而增加,但是电容的体积几乎没有改变,这表示即使提高电容的质量负载,离子扩散速度仍没有下降。

ucsc研究生binyao表示,在传统超级电容工艺中,由于电极涂层厚度会影响性能,因此厂商都是运用非常薄的涂层与金属来打造集电器,再以一层层堆栈方式来制造电容,只不过这样反而增加重量与成本。

若使用团队的新研究便能略过堆栈过程,研究员的多孔石墨烯气凝胶晶格电极,除了能让氧化锰材料均匀沉积、有效提升充放电的离子扩散效率,新方法还可以在不减少性能的情况下将电极厚度增加到4mm。

yatli表示,实验测试指出,新型电容电极的每单位储存电荷量已超过以往的研究。而这项研究最主要的创新在于可利用3d打印来制造电极结构,且新型电极的稳定性也相当高,在2万次充放电循环后容量仍可维持90%,3d打印的石墨烯气凝胶电极设计灵活度也非常高,甚至可以成任何形状,有望提升超级电容的应用范围,目前团队已将研究发表在《joule》。

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