美研發 3D 列印超級電容電極,性能與穩定性更勝以往

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 29 日 8:45 | 分類 3D列印 , 材料、設備 , 電池 follow us in feedly

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展的超級電容就是其中一種,而現在美國科學家運用 3D 列印製造的石墨烯氣凝膠(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。



超級電容是介於傳統電容與電池之間的儲電設備,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點,除了能量密度比一般電容更高,功率密度也優於其他電池。

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,並不會與電解質發生反應,後者則是運用電極表面與電解質間的電化學反應來儲存電量,電力儲存方式與現有電池較為相像。

其中加州大學聖塔克魯茲分校(UCSC)與勞倫斯利佛摩國家實驗室(LLNL)一直以來都想要利用 3D 列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 化學與生化系教授 Yat Li 表示,目前面臨的挑戰在於,當電極厚度增加時,整體結構的離子擴散速度會下降,進而影響電容性能,因此團隊得在不影響儲存容量的情況下提升偽電容材料的質量負載(mass loading)。

(Source:UCSC

為此團隊利用 3D 列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,成功在電容質量負載取得突破。

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。實驗指出,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量負載,離子擴散速度仍沒有下降。

UCSC 研究生 Bin Yao 表示,在傳統超級電容製程中,由於電極塗層厚度會影響性能,因此廠商都是運用非常薄的塗層與金屬來打造集電器,再以一層層堆疊方式來製造電容,只不過這樣反而增加重量與成本。

若使用團隊的新研究便能略過堆疊過程,研究員設計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,實驗測試指出,新型電容電極的每單位儲存電荷量已超過以往的研究。而這項研究最主要的創新在於可利用 3D 列印來製造電極結構,且新型電極的穩定性也相當高,在 2 萬次充放電循環後容量仍可維持 90%,3D 列印的石墨烯氣凝膠電極設計靈活度也非常高,甚至可以印刷成任何形狀,有望提升超級電容的應用範圍,目前團隊已將研究發表在《Joule》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖為一般電容示意圖,來源:Flickr/wgossett CC BY 2.0)