3D 打印超级电容器实现创纪录的性能

伪电容器是一种可以有效平衡快速充放电和高能量密度要求的储能器件。为了实现实用的伪电容器，我们需要开发一种能够同时实现高效电子传输和离子扩散的集电极。

3D 打印技术的最新进展为应对伪电容器的这一特殊挑战提供了新方法。到目前为止，已经采用了许多策略来提高这些器件的性能，包括缺陷引入、结晶工程和元素掺杂。

最近，加州大学圣克鲁斯分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一组研究人员构建了 3D 打印的超级电容器电极，在能量密度和性能方面远远优于传统超级电容器。

在这项工作中，研究人员展示了多孔石墨烯气凝胶的 3D 打印结构，该结构可以支持大量广泛使用的伪电容材料氧化锰 (MnO2)。该材料以化学存储电荷和表现出超高的理论能量容量而著称。

这导致超级电容器具有高面积电容或每单位面积的大量电荷存储。直到现在，还没有人能够实现这一壮举。与其他电容器相比，它具有非凡的能量密度。该研究可为使用此类电容器作为手机和笔记本电脑等设备的快速充电电源打开新的大门。

该团队使用化学分解技术为 3D 打印的多孔结构加载了 180 毫克氧化锰。令人惊讶的是，他们能够在不降低性能的情况下实现高达 100 倍的负载水平。

参考：细胞 | doi:10.1016/j.joule.2018.09.020 | LLNL

他们在 3D 打印的石墨烯结构上添加了一层伪电容性氧化锰，以扩展整体能量密度和电容。他们没有在结构的外表面涂上选择性涂层，而是完全利用了其巨大的表面积。

这个项目更令人兴奋的是，它仍然不是极限。一切都是可扩展的。有许多可接近的大孔——这是沉积 MnO2 和有效扩散离子的关键元素。

3D 打印石墨烯气凝胶/MnO2 电极的制造 |研究人员提供

它们可以使电极变厚，同时保持良好的导电性和离子扩散。通常，如果您不断增加厚度，最终会达到一个阈值，尤其是在高充电率下。

但由于研究人员使用了 3D 结构，他们可以很好地利用更高的电荷。即使它们使结构变厚，重量值也不会下降太多。

3D 打印结构还有许多其他优点。例如，您可以控制孔的大小，快速制作电极，并按照您想要的方式配置参数。此外，可以通过改变结构的建筑设计来改变孔隙率。

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目前的工作强调对称超级电容器设备的性能，这依赖于两个相似的 3D 打印电极。未来几年，研究人员将使用极高负载的活性材料来构建非对称器件，该器件将在每个电极上使用两种不同的物质，进一步提高能量密度和工作电压水平。

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