3D打印技术或将引发超级电容器制造革命

科学家们虽然在研发过程中走了一点弯路，但他们制备的基于活性石墨烯材料(graphene-enabled)的超级电容器已然准备好给世人一点惊喜。这是该研究领域一次重大的进步，来自加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)和劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)的研究人员们使用一种基于石墨烯的气凝胶(graphene-based aerogel)材料成功制备出用于超级电容器的电极，该元件具备有史以来最高的面积比电容(areal capacitance)。 :R>RCR2g)  
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他们在制备石墨烯电极时采用的3D打印技术攻克了之前被认为是横亘在超级电容器发展道路上的重量(weight)、比表面积(surface area)、电极总电容量(total volume capacitance)三者的平衡问题。在之前的应用中，有着高比表面积的石墨烯气凝胶电极往往在体积比电容这一指标上的表现差强人意，而换用3D打印的石墨烯气凝胶电极后，该项性能竟然下降得更多了 ！究其原因，是因为其“打印”出来的长丝(printed filaments)之间有周期性出现的大孔隙(periodic large pores)。  yK$aVK"  
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“我们的工作第一次展示了一种能规避掉这个问题的3D打印技术”，加州大学圣克鲁兹分校教授Yat Li说到。他同时也是这篇发表在焦耳杂志（journal Joule）上介绍该团队研究成果的论文的共同作者。据他介绍，这是科学家第一次能在不牺牲电极电化学性能的条件下制成每立方厘米含超过180毫克活性材料的大质量负载(high mass loading)。 )VqPaKZl  
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“虽然3D打印石墨烯气凝胶体积比电容(low volumetric capacitance)较低，但是我们成功通过向疏松多孔的石墨烯碳架内注入更多纳米材料的方式增大了它的密度，进而达到提升性能的目的，”Li教授说到，“我们的3D打印石墨烯气凝胶/二氧化锰电极(3D-printed graphene aerogel/MnO2 electrodes)的体积比电容性能相比传统纯石墨烯气凝胶电极(pure graphene aerogel electrodes)提升了数百倍。”按照Li的说法，他们制成的这些质量负载性能比之前学术杂志报道过的提升了大约2到3个量级。 [-\U)>MY(p  
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这项研究成果或许还将深刻影响储能装置未来的发展方向。迄今为止，大多数材料在质量负载增加情况下会因为电极内离子扩散不足(ion diffusion)而丧失大部分储能能力。令人欣喜的是，该团队的这项工作验证了“打印”制备超级电容器电极的可行性，这必将在超级电容器制造领域掀起一场技术革命。 ?~E"!  
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在这项最新的研究发表前几年，我们报道过许多引人注目的“基于石墨烯材料的超级电容器达到有史以来最高能量密度(energy density)(单位质量所储存的能量)”的专题文章。这一系列报道在2015年随着韩国研究人员声称制出能量密度高达131瓦时/千克的超级电容器石墨烯电极到达顶峰。当时，采用其他材料制备的超级电容器电极平均只能达到28瓦时/千克的水平，足足提升了四倍多啊！即便如此，相比平均能量密度200瓦时/千克的锂离子电池，超级电容器依旧相形见绌。 o4Cq  /K  
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科学家们为何如此执著于提升石墨烯超级电容器的能量密度呢？这是因为一些人相信既然超级电容器充电速度远大于锂离子电池(Li-ion batteries)，那它完全有成为电动汽车(electric vehicle,EV)能量来源的潜力。如果这个设想可以实现，那么驾驶电动汽车就和驾驶燃油车没什么区别了：你来到充电站，只需要以往给燃油车加满油的时间，就可以给你的电动汽车充满电了。虽然有人依旧在为此努力着，但是许多人已经发现超级电容器很难满足要求。 x
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起初，这些最新用3D打印技术制备的石墨烯气凝胶电极在能量密度上的表现可能并未打消质疑者对于超级电容器是否能应用于电动汽车上的疑虑。Li教授介绍说，加州大学圣克鲁兹分校和劳伦斯·利弗莫尔实验室的联合研究团队在对这些电极测试后发现，在功率密度为0.55瓦/千克时，其最大能量密度为4.3瓦时/千克；在能量密度为1.3瓦时/千克时，其最大功率密度为89.4瓦/千克。 -KH"2q  
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这些数据看起来似乎大大低于几年前报道的石墨烯材料超级电容器的性能。可是，Li教授强调，这些数据是在质量负载为182.2毫克/平方厘米的装置上取得的。要知道，之前报道过的那些高能量密度的装置所采用的是极低质量密度的活性材料负载(小于1毫克/平方厘米)，他们的电子转移和离子扩散效率远远高于那些大质量负载。Li表示，这些因素说明他们的超级电容器在能量密度上已经达到目前最先进超级电容器的中间位置。 " a,4E{7  
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“这些有着高面能量密度(areal energy density)的超级电容器在诸如可穿戴储能装置(wearable energy-storage device)等由于人体表面积有限而对可用表面积有要求的应用上前途远大”，Li教授说道，“这些超级电容器在极高质量负载下电化学性能(electrochemical performance)依旧抢眼的表现也意味着他们会在电动汽车研发中大放异彩。” u86PTp+  
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Li教授强调，迄今为止他们制造的电极都是对称的(symmetric)，即用同一种材料制成的。当使用不同材料制备两个电极时就能得到不对称超级电容器，这将大大提高他们的能量密度和工作电压(working voltages)。 >goHQ30:  
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虽然任何蓄电池技术(battery storage technology)在实验室中都可以取得鼓舞人心的结果，但是科技成果转化为生产力的过程就十分复杂了。俗话说，科学家的心头好就是工程师的催命鬼。Li教授也承认这项3D打印石墨烯气凝胶技术的商业化应用会遇到一系列挑战。 !!)$?R;1  
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困难主要在两方面：第一，这些电极的大规模生产将消耗大量石墨烯或氧化石墨烯材料(graphene oxide materials)，而这些材料目前在世界范围内尚未广泛使用；第二，石墨烯和氧化石墨烯纳米片(graphene oxide nanosheets)的价格较高，限制了它们在工业中的广泛应用。 ;134$7!Y  
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但是Li强调，这种3D打印法提供了一种崭新的、简便的途径制造可控形状的超级电容器电极，这可以满足特种行业的需求。 D!/ 4u0m  
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在论证完对称超级电容器性能后，Li打算下一步聚焦于不对称超级电容器制造。目前，研究人员受困于无法找到适合3D打印石墨烯阴极材料的超高面电容的阳极材料(cathode materials)，还只能在极高质量负载上制造对称超级电容器。 QjG/H0*mP  
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Li教授在最后补充到他们会寻找可能的合作者来继续这项研究。 6w{_+=T  
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原文链接：https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/3d-printed-graphene-aerogel-reaches-highest-capacitance-yet-for-a-supercapacitor?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg