3D打印超級電容電極，性能與穩(wěn)定性均強(qiáng)過以往

  除了電池之外，世界上還有許多儲存電力的方式，像是近年來如火如荼發(fā)展的超級電容就是其中一種，而現(xiàn)在美國科學(xué)家運(yùn)用3D打印制造的石墨烯氣凝膠（graphene aerogel），帶來性能大幅提升的3D多孔電容電極，每單位可儲存的電荷更超過以往的研究。

  超級電容是介于傳統(tǒng)電容與電池之間的儲電設(shè)備，雖然與電池相比，他們儲電容量較低，但其具有充電速度快、壽命長、耐高溫高壓且安全性高等優(yōu)點(diǎn)，除了能量密度比一般電容更高，功率密度也優(yōu)于其他電池。

  超級電容的儲電方式則分為兩種，分別是雙電層電容與偽電容（pseudocapacitor，也有人稱擬電容），前者是以高表面積的碳材料作為電極，電極材料只用來吸收電荷，并不會與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，后者則是運(yùn)用電極表面與電解質(zhì)間的電化學(xué)反應(yīng)來儲存電量，電力儲存方式與現(xiàn)有電池較為相像。

  其中加州大學(xué)圣塔克魯茲分校（UCSC）與勞倫斯利佛摩國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）一直以來都想要利用 3D 打印石墨烯氣凝膠來打造偽電容電極，但這可不是件簡單的事。UCSC 化學(xué)與生化系教授 Yat Li 表示，目前面臨的挑戰(zhàn)在于，當(dāng)電極厚度增加時，整體結(jié)構(gòu)的離子擴(kuò)散速度會下降，進(jìn)而影響電容性能，因此團(tuán)隊(duì)得在不影響儲存容量的情況下提升偽電容材料的質(zhì)量負(fù)載（mass loading）。

Source：UCSC

  為此團(tuán)隊(duì)利用 3D 打印的石墨烯氣凝膠打造多孔支架，再填入偽電容常用材料氧化錳，成功在電容質(zhì)量負(fù)載取得突破。

  以往偽電容電極的氧化錳含量為每平方公分 10mg，而新電極可將含量提升至 100mg，且還不會影響性能。實(shí)驗(yàn)指出，雖然電容面積會隨著氧化錳含量與電極厚度提升而增加，但是電容的體積幾乎沒有改變，這表示即使提高電容的質(zhì)量負(fù)載，離子擴(kuò)散速度仍沒有下降。

  UCSC 研究生 Bin Yao 表示，在傳統(tǒng)超級電容工藝中，由于電極涂層厚度會影響性能，因此廠商都是運(yùn)用非常薄的涂層與金屬來打造集電器，再以一層層堆棧方式來制造電容，只不過這樣反而增加重量與成本。

  若使用團(tuán)隊(duì)的新研究便能略過堆棧過程，研究員設(shè)計(jì)的多孔石墨烯氣凝膠晶格電極，除了能讓氧化錳材料均勻沉積、有效提升充放電的離子擴(kuò)散效率，新方法還可以在不減少性能的情況下將電極厚度增加到 4mm。

  Yat Li 表示，實(shí)驗(yàn)測試指出，新型電容電極的每單位儲存電荷量已超過以往的研究。而這項(xiàng)研究最主要的創(chuàng)新在于可利用 3D打印來制造電極結(jié)構(gòu)，且新型電極的穩(wěn)定性也相當(dāng)高，在 2 萬次充放電循環(huán)后容量仍可維持 90%，3D打印的石墨烯氣凝膠電極設(shè)計(jì)靈活度也非常高，甚至可以印刷成任何形狀，有望提升超級電容的應(yīng)用范圍，目前團(tuán)隊(duì)已將研究發(fā)表在《Joule》。

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