加州大學圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們報告了超級電容器電極的前所未有的性能結果。研究人員使用可印刷的石墨烯氣凝膠制造電極，以構建一個裝有贗電容材料的多孔三維支架。

UCSantaCruz化學與生物化學教授YatLi表示，在實驗室測試中，這種新型電極實現了超級電容器所報告的最高面積電容(每單位電極表面積存儲的電荷)。李和他的合作者在10月18日在焦耳發表的一篇論文中報道了他們的發現。

作為能量存儲裝置，超級電容器具有非常快速(幾秒到幾分鐘)充電并且通過數萬次充電循環保持其存儲容量的優點。它們用于電動車輛和其他應用中的再生制動系統。與電池相比，它們在相同的空間內保持較少的能量，并且它們不會長時間保持電荷。但超級電容器技術的進步可以使它們在更廣泛的應用中與電池競爭。

在早期的工作中，UCSC和LLNL的研究人員展示了使用3D打印的石墨烯氣凝膠制造的超快超級電容器電極。在這項新研究中，他們使用改進的石墨烯氣凝膠來制造多孔支架，然后裝載氧化錳，這是一種常用的贗電容材料。

贗電容器是一種超級電容器，通過電極表面的反應來存儲能量，使其比主要通過靜電機制(稱為電雙層電容或EDLC)存儲能量的超級電容器具有更像電池的性能。

“贗電容器的問題在于，當增加電極的厚度時，由于體結構中的離子擴散緩慢，電容會迅速下降。因此，挑戰是增加贗電容器材料的質量負載而不犧牲每單位質量的能量存儲容量。或量，“李解釋說。

這項新研究表明在平衡贗電容器中的質量負載和電容方面取得了突破。研究人員能夠將質量負荷增加到每平方厘米超過100毫克氧化錳的記錄水平而不影響性能，而商用設備的典型水平約為10毫克/平方厘米。

最重要的是，面電容隨著氧化錳的質量負載和電極厚度線性增加，而每克電容(重量電容)幾乎保持不變。這表明即使在如此高的質量負載下，電極的性能也不受離子擴散的限制。

第一作者，位于加州大學圣克魯茲分校Li實驗室的研究生BinYao解釋說，在超級電容器的傳統商業制造中，將薄的電極材料涂層應用于用作集電器的薄金屬片。因為增加涂層的厚度導致性能下降，所以堆疊多個片材以構建電容，由于每層中的金屬集電器而增加了重量和材料成本。

“通過我們的方法，我們不需要堆疊，因為我們可以通過使電極更厚而不犧牲性能來增加電容，”Yao說。

研究人員能夠將電極厚度增加到4毫米，而不會損失任何性能。他們設計了具有周期性孔結構的電極，該結構能夠使材料均勻沉積并且有效的離子擴散用于充電和放電。印刷結構是由石墨烯氣凝膠的圓柱形桿組成的晶格。除了晶格結構中的孔之外，棒本身是多孔的。然后將氧化錳電沉積到石墨烯氣凝膠晶格上。

“這項研究的關鍵創新是使用3D打印來制造合理設計的結構，提供碳支架以支持贗電容材料，”Li說。“這些發現驗證了使用3D打印制造儲能設備的新方法。”

用石墨烯氣凝膠/氧化錳電極制成的超級電容器裝置顯示出良好的循環穩定性，在20,000次充電和放電循環后保持超過90%的初始電容。3D打印的石墨烯氣凝膠電極具有極大的設計靈活性，因為它們可以制成適合裝置所需的任何形狀。LLNL開發的可印刷石墨烯基油墨具有超高的表面積，輕質特性，彈性和優異的導電性。