2018/12/18
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3D打印超级电容电极，性能与稳定性均强过以往
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打印制造的石墨烯气凝胶（graphene aerogel），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）与劳伦斯利佛摩国家实验室（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Yat Li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（mass loading）。
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Bin Yao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，研究员设计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。
Yat Li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，甚至可以印刷成任何形状，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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