作者 EnergyTrend | 發布日期 2018 年 10 月 29 日 8:45 | 分類 3D列印 , 材料、設備 , 電池 |
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）
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