3D打印：石墨烯超級電容器

材料牛網注：3D打印技術如日中天，研究人員將3D打印技術應用于超級電容器開發出了新型超級電容器，該電容器的電極為3 D打印的氣凝膠石墨烯電極。

李雅特(圖左)、劉天宇與勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員合作,開發出了新型超級電容器，該電容器的電極為3 D打印的氣凝膠石墨烯電極。圖片來源：T. Stephens

加州大學圣塔克魯茲分校的科學家和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)聯合報道了首例3D打印的石墨烯電極超級電容器，其電極的各項性能均優于傳統方法制成的電極。他們的結果也預示了設計靈活的3D打印有望用于智能手機，可穿戴式裝置，植入式設備，電動汽車和無線傳感器等具有高效能量存儲系統的設備。

該研究團隊已經能夠使用3D打印技術打印出微架構電極，采用該電極的超級電容器具有優良的使用性能。其3 D打印過程也稱為直接打印和石墨烯氧化物復合打印。 該結果于1月20日發表在《納米快報》,并將出現在《華爾街日報》3月期的封面。

加州大學圣塔克魯茲分校化學系副教授兼通訊作者李雅特說：“采用3D打印石墨烯電極的超級電容器，其毫米級厚度的電極表現出突出的電容保持特性和較高的功率密度。其性能遠遠高于傳統工藝制備的厚電極，厚電極的性能僅僅相當于比其薄十到一百倍的石墨烯電極的性能。”

文章的主要作者是LLNL工程師朱成和加州大學研究生劉天宇。朱成說： “打破二維制造范圍的限制，我們可以廣泛的制造3 D結構。例如：對于手機來說，你只需要為存儲能量留下一個很小的區域。 并且該區域的幾何形狀可以非常復雜。”

快速充電

朱成還表示：超級電容器也可以非常快速，理論上只需要幾分鐘甚至幾秒就能達到滿負荷。 有關研究人員認為，在未來的研究內容中，這種3 D打印的超級電容器將用于生產各種獨特的電子產品，比如完全私人定制的智能手機和紙質或可折疊的設備等，而這些是目前的合成方法很難甚至不可能做到的。

根據李雅特的解釋，從可打印的石墨烯墨水的發展開始，一些關鍵性的突破已經使這些新設備成為可能。 改良的3D打印方案結合氣凝膠工藝使得3D打印結構中的單層石墨烯片層維持其自身重要的機械和電性能成為可能。另外，使用3D打印制造具有周期性大孔隙的石墨烯電極能顯著增強大量能量的傳輸，且在不降低超級電容器容量的前提下還能使設備具有更快的充電/放電率。

李雅特還補充道：“我們的研究為如何顯著擴大3 D打印材料（石墨烯氣凝膠）的設計空間以制造出高性能且完全可積的能源存儲設備，這些設備都有很廣泛的應用。”

石墨烯油墨具有超高表面積，輕量級，彈性以及優良導電性等優點。另外，據研究人員透漏， 石墨烯復合氣凝膠超級電容器具有很高的穩定性，它能夠經過10000年連續不斷的充放電循環后仍保持原來的能量容量。

LLNL材料工程師Eric Duoss說： “石墨烯是一種非常不可思議的材料。因為它本質上是一種可以由石墨生成的單原子層，但是卻 由于其獨特的結構和晶格排列而產生異常驚人的性能。”

未來一年，研究人員計劃通過開發新的3D設計，使用不同的油墨，以及改善現有材料的性能等一系列措施來擴大3D技術的應用范圍。

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感謝材料人編輯部楊洪期提供素材