3D打印超级电容器显示出承诺

电池通过电化学反应存储电荷来工作。但这不是存储电力的唯一方式。超级电容器中的电荷存储可以通过两种方法中的一种或两种来完成。在双电层电容(EDLC)中，由于电极 - 电解质界面处的电子和离子电荷的静电分离，电荷存储在两个板之间。最近，使用称为伪电容的原理开发了第二种类型的超级电容器。赝电容器通过电极表面的电荷转移或还原 - 氧化(氧化还原)过程来储存能量，使其具有比EDLC超级电容器更像电池的性能。

超级电容器优于电池，其包括非常快速地充电(在几​​秒到几分钟内)以及在数万次充电循环中保持其存储容量的能力。与锂离子电池相比，它们在相同的空间内保持更少的能量。但是，能够快速接受再生制动产生的电能并将其返回能量脉冲以便快速加速，这使得它们在与电池组配对时在性能电动车(EV)传动系中具有吸引力。超级电容器吸收数千次充电循环的能力也保护锂离子电池免受再生制动可能发生的充电和放电极值。

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赝电容超级电容器的进步显示出更大的容量和更长的电荷保持能力。加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员使用新的超级电容器电极报告了前所未有的性能结果。该团队使用3D打印技术使用可印刷的石墨烯气凝胶制造电极，构建一个多孔的三维支架，其中装载有氧化锰 - 一种常用的赝电容材料。

“赝电容器的问题在于，当增加电极的厚度时，由于散装结构中离子扩散缓慢，电容会迅速下降，”加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学教授Yat Li在一份大学新闻发布会上说。因此，挑战在于增加赝电容器材料的质量负载而不牺牲每单位质量或体积的能量存储容量，“Li解释说。

在早期的工作中，UCSC和LLNL研究团队证明超快速超级电容器电极可以使用3D打印的石墨烯气凝胶制造。在新的工作中，该团队使用改进的石墨烯气凝胶并使用3D打印来构建多孔支架，然后将其装载有赝电容材料。根据UCSC的发布，“研究人员能够将质量负荷提高到每平方厘米超过100毫克氧化锰的水平而不影响性能，而商业设备的典型水平约为10毫克/平方厘米。”

不需要堆叠

在传统的超级电容器中，将薄的电极材料涂层施加到用作集电器的薄金属板上。增加涂层的厚度会导致性能下降，因为电荷通过较厚的涂层扩散需要更长的时间。因此，目前的商用超级电容器由多个薄板制成。由于每个级别需要金属集电器，它们彼此堆叠以增加电容，增加重量和材料成本。

李博士是加州大学圣克鲁兹分校实验室的研究生，他解释说：“通过我们的方法，我们不需要堆叠，因为我们可以通过在不牺牲性能的情况下使电极更厚来增加电容。”

UCSC版本描述了电极厚度增加到4毫米而没有任何性能损失。“这项研究的关键创新是使用3D打印来制造合理设计的结构，提供碳支架以支持赝电容材料，”Li说。“这些发现验证了使用3D打印制造储能设备的新方法。”

打印气凝胶

电极设计有周期性孔结构，使得材料能够均匀沉积并且有效的离子扩散用于充电和放电。根据该发布，“印刷结构是由石墨烯气凝胶的圆柱棒组成的晶格。除了晶格结构中的孔之外，棒本身是多孔的。然后将氧化锰电沉积到石墨烯气凝胶晶格上。“

据UCSC团队称，新型3D打印气凝胶电极实现了超级电容器所报告的最高面积电容(每单位电极表面积存储的电荷)。它们还表现出良好的循环稳定性，在20,000次充电和放电循环后保持90%以上的初始电容。与电动汽车(EV)中的锂离子电池合作，这些新型超级电容器可以提供快速加速所需的突发功率，而电池组则提供长距离所需的能量存储。