現(xiàn)如今在電子領(lǐng)域，電池的續(xù)航能力顯得尤為重要。無論是智能手機(jī)還是平板電腦，人們都希望擁有盡可能長的電池續(xù)航能力，而不少科技公司也在這方面進(jìn)行大力的研發(fā)工作。
近期，加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家報(bào)告了超級(jí)電容器電機(jī)前所未有的性能結(jié)果，研究人員使用可印刷石墨烯氣凝膠制造電極，以構(gòu)建一個(gè)裝有贗電容材料的多孔三維支架。
與電池相比，它們?cè)谙嗤目臻g內(nèi)保持較少的能量，并且它們不會(huì)長時(shí)間保持充電，但超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)步可以使它們?cè)诟鼜V泛的應(yīng)用中與電池競爭。
在早期的實(shí)驗(yàn)中，研究人員展示了使用3D打印石墨烯氣凝膠制造的超快超級(jí)電容器電極，在這項(xiàng)新研究中，他們改進(jìn)的石墨烯氣凝膠來制造多孔支架，然后裝載氧化錳，這是一種常見的贗電容材料。
贗電容器是一種超級(jí)電容器，通過電極表面的反應(yīng)來存儲(chǔ)能量，使其比主要通過靜電機(jī)制存儲(chǔ)能量的超級(jí)電容器具有更像電池的性能。但是贗電容器的問題在于，當(dāng)增加電極的厚度時(shí)，由于體結(jié)構(gòu)中的離子擴(kuò)散緩慢，電容會(huì)迅速下降。因此，挑戰(zhàn)是增加贗電容器材料的質(zhì)量負(fù)載而不是犧牲每單位質(zhì)量的能量存儲(chǔ)容量。
這項(xiàng)新研究表明，在平衡贗電容器中的質(zhì)量負(fù)載和電容方面取得了突破，研究人員能夠?qū)①|(zhì)量符合增加到每平方厘米超過100毫克氧化錳的水平而不影響性能，而商用設(shè)備的典型水平約為10毫克/平方厘米。
最重要的是，贗電容隨著氧化錳的質(zhì)量負(fù)載和電極厚度線性增加，而每克電容幾乎保持不變。這表明即使在如此高的質(zhì)量負(fù)載下，電極的性能也不受離子擴(kuò)散的限制。
研究人員提到，在超級(jí)電容器的傳統(tǒng)商業(yè)制造中，將薄的電極材料涂層應(yīng)用于作為集電器的薄金屬片。因?yàn)樵黾油繉拥暮穸葘?dǎo)致性能下降，所以堆疊多個(gè)片材以構(gòu)建電容，由于每層中的金屬集電器而增加了重量和材料成本。
研究人員能夠?qū)㈦姌O厚度增加到4毫米，而不會(huì)損失任何性能。他們?cè)O(shè)計(jì)了具有周期性孔結(jié)構(gòu)的電極，該結(jié)構(gòu)能夠使材料均勻沉積并且有效的離子擴(kuò)散用于充電和放電。除晶格結(jié)構(gòu)中的孔之外，氧化錳電沉積到石墨烯氣凝膠晶格上。
這項(xiàng)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用3D打印來制造合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，提供碳支架以支持贗電容材料。這種電容器具有超過的表面積，輕質(zhì)特性以及優(yōu)異的導(dǎo)電性，在未來的商用中會(huì)發(fā)揮出不俗的性能。
