• 2016-03-01
    科学家用石墨烯3D打印出超轻超薄的超级电容

 

201629日,美国Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)和加州大学Santa Cruz分校的科学家们宣布,他们首次使用超轻的石墨烯凝胶3D打印出超级电容,从而为产品设计师更加自由、不受设计限制地将高效能源存储系统用于智能手机、可穿戴设备、可植入设备、电动汽车和无线传感器打开了大门。

据天工社了解,LLNL的研究团队使用了一种被称为直接油墨书写(direct-ink writing)的3D打印工艺和该实验室自己设计的氧化石墨烯复合油墨来打印微结构,制造出可以保留能量的超级电容,比当前使用电极制造的同类电容薄10100倍。

该成果于2016128日被在线发表在《Nano Letters》杂志上。

“这项技术突破了2D制造的限制。”该论文的第一作者,LLNL的工程师Cheng Zhu说。“我们可以(用它)制造出各种各样、非常复杂的3D结构。举个例子来说,这项技术使我们在智能手机里为能量存储系统留下一个很小的空间即可。”

微结构、超轻量级的3D打印超级电容器比用电极构成的电容薄10100倍(Cheng Zhu(右)与Fang Qian

而且,Cheng Zhu称,这种超级电容器的充电速度也非常快。理论上只需几分钟或者几秒钟即可充满电量。Zhu和他的同事们相信,将来全新设计的3D打印超级电容可以用来创建当前很难制造、甚至用其它方法不可能实现的独特电子产品,比如完全定制的智能手机或者折叠装置等,与此同时其性能也将达到前所未有的水平。

“我们正在开创性地将3D打印及多孔材料结合起来。”该论文的共同作者、材料和生物医学科学家Fang Qian说:“考虑到超级电容可以作为一种便携式的能源装置,所以任何用电的装置都可以从中获益。如果我们可以使用轻便、紧凑和高性能的超级电容器来代替当前的标准(技术),这将是一个彻底的改变。”

研究人员称,相对于碳基材料,石墨烯油墨的优势相当明显,它具有超高的表面积、重量性,弹性和导电性也非常出色。除此之外,石墨烯复合气凝胶超级电容器的性能也非常稳定。研究人员称,这种电容在经过10000次充放电循环之后仍然能够几乎完整地保留他们的充电能力。

“增材制造的3D储能结构将提升超级电容器的能量和功率特性,使轻量化、小型化的电源成为可能。”LLNL材料工程师Eric duoss说。“石墨烯是一种令人难以置信的材料,因为它本质上是一个单原子层,可以用石墨来制造。由于其独特的结构和晶体排列方式,它真的具有非凡的能力。”

在这项研究中,LLNL实验室的研究人员还与加州大学Santa Cruz分校的Yat Li教授及其研究生Tianyu Liu进行了密切合作,后者负责分析该项目的电化学特征,并对该技术使用的材料进行优化。

在接下来的一年中,科学家们计划通过开发新的3D设计来进一步扩展该技术的应用空间,同时尝试使用不同的油墨,并改进现有材料的性能。

据了解,该项研究的资金来自LLNL内部的实验室指导研究与开发(LDRD)计划。



 

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