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石墨烯氣凝膠大幅提升超級電容器

美國勞倫斯利物莫國家實驗室(LLNL)和加州大學聖克魯茲分校的研究人員首次用極輕的石墨烯氣凝膠制備出了超級電容器。據了解,LLNL的研究團隊使用了一種被稱為直接油墨書寫的3D打印工藝和該實驗室自己設計的氧化石墨烯複合油墨來打印微結構,制造出可以保留能量的超級電容,比當前使用電極制造的同類電容薄10至100倍。他們的成果發表在《Nano Letters》上。

“這項技術突破了2D制造的限制。”該論文的第一作者,LLNL的工程師Cheng Zhu說。“我們可以(用它)制造出各種各樣、非常複雜的3D結構。舉個例子來說,這項技術使我們在智能手機裡為能量存儲系統留下一個很小的空間即可。”

微結構、超輕量級的3D打印超級電容器比用電極構成的電容薄10至100倍。而且,Cheng Zhu稱,這種超級電容器的充電速度也非常快。理論上隻需幾分鐘或者幾秒鐘即可充滿電量。Zhu和他的同事們相信,将來全新設計的3D打印超級電容可以用來創建當前很難制造、甚至用其它方法不可能實現的獨特電子産品,比如完全定制的智能手機或者折疊裝置等,與此同時其性能也将達到前所未有的水平。

“我們正在開創性地将3D打印及多孔材料結合起來。”該論文的共同作者、材料和生物醫學科學家Fang Qian說:“考慮到超級電容可以作為一種便攜式的能源裝置,所以任何用電的裝置都可以從中獲益。如果我們可以使用輕便、緊湊和高性能的超級電容器來代替當前的标準,這将是一個徹底的改變。”

研究人員稱,相對于碳基材料,石墨烯油墨的優勢相當明顯,它具有超高的表面積、重量性,彈性和導電性也非常出色。除此之外,石墨烯複合氣凝膠超級電容器的性能也非常穩定。研究人員稱,這種電容在經過10000次充放電循環之後仍然能夠幾乎完整地保留他們的充電能力。

“增材制造的3D儲能結構将提升超級電容器的能量和功率特性,使輕量化、小型化的電源成為可能。”LLNL材料工程師Eric duoss說。“石墨烯是一種令人難以置信的材料,因為它本質上是一個單原子層,可以用石墨來制造。由于其獨特的結構和晶體排列方式,它真的具有非凡的能力。”在這項研究中,LLNL實驗室的研究人員還與加州大學Santa Cruz分校的Yat Li教授及其研究生Tianyu Liu進行了密切合作,後者負責分析該項目的電化學特征,并對該技術使用的材料進行優化。在接下來的一年中,科學家們計劃通過開發新的3D設計來進一步擴展該技術的應用空間,同時嘗試使用不同的油墨,并改進現有材料的性能。

來源:新材料與産業技術北京研究院

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