Forskere bruger 3D-print til at lave ultrahurtig grafen-superkondensator

Forskere ved UC Santa Cruz og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har rapporteret det første eksempel på ultrahurtige 3D-printede grafen-superkondensatorelektroder, der udkonkurrerer sammenlignelige elektroder lavet via traditionelle metoder. Deres resultater åbner døren til roman, ubegrænsede designs af højeffektive energilagringssystemer til smartphones, wearables, implanterbare enheder, elbiler og trådløse sensorer.

Ved hjælp af en 3D-udskrivningsproces kaldet direkte blækskrivning og et grafenoxidkompositblæk, holdet var i stand til at printe mikro-arkitekterede elektroder og bygge superkondensatorer med fremragende ydeevne. Resultaterne blev offentliggjort online 20. januar i tidsskriftet Nano bogstaver og vil blive vist på forsiden af ​​marts-udgaven af ​​tidsskriftet.

"Superkondensatorenheder, der bruger vores 3D-printede grafenelektroder med tykkelser i størrelsesordenen millimeter, udviser enestående kapacitansretention og effekttætheder, " sagde den tilsvarende forfatter Yat Li, lektor i kemi ved UC Santa Cruz. "Denne ydeevne overgår i høj grad ydeevnen af ​​konventionelle enheder med tykke elektroder, og det er lig med eller overstiger ydeevnen af ​​rapporterede enheder lavet med elektroder 10 til 100 gange tyndere."

LLNL ingeniør Cheng Zhu og UCSC kandidatstuderende Tianyu Liu er hovedforfattere af papiret. "Dette bryder igennem begrænsningerne for, hvad 2D -produktion kan, " sagde Zhu. "Vi kan fremstille et stort udvalg af 3D-arkitekturer. I en telefon, for eksempel, du behøver kun at efterlade et lille område til energilagring. Geometrien kan være meget kompleks. "

Hurtig opladning

Superkondensatorer kan også oplade utrolig hurtigt, Zhu sagde, i teorien kræver det blot et par minutter eller sekunder at nå fuld kapacitet. I fremtiden, forskerne mener, at nydesignede 3D-printede superkondensatorer vil blive brugt til at skabe unik elektronik, som i øjeblikket er svære eller endda umulige at lave ved hjælp af andre syntetiske metoder, herunder fuldt tilpassede smartphones og papirbaserede eller foldbare enheder, samtidig med at man opnår hidtil usete ydelsesniveauer.

Ifølge Li, flere vigtige gennembrud gjorde disse nye enheder mulige, begyndende med udviklingen af ​​en printbar grafen-baseret blæk. Ændring af 3D-printskemaet til at være kompatibelt med aerogelbehandling gjorde det muligt at opretholde de vigtige mekaniske og elektriske egenskaber af enkelte grafenark i de 3D-printede strukturer. Endelig, brugen af ​​3D-print til intelligent konstruering af periodiske makroporer i grafenelektroden forbedrer massetransporten betydeligt, giver enheden mulighed for at understøtte meget hurtigere opladnings-/afladningshastigheder uden at forringe dens kapacitet.

"Dette arbejde giver et eksempel på, hvordan 3D-printede materialer, såsom grafen-aerogeler, markant kan udvide designrummet til fremstilling af højtydende og fuldt integrerbare energilagringsenheder optimeret til en bred vifte af applikationer, " sagde Li.

Fordelene ved grafenbaseret blæk inkluderer deres ultrahøje overfladeareal, lette egenskaber, elasticitet, og overlegen elektrisk ledningsevne. Grafen komposit aerogel superkondensatorerne er også ekstremt stabile, forskerne rapporterede, i stand til næsten fuldt ud at bevare deres energikapacitet efter 10, 000 på hinanden følgende opladnings- og afladningscyklusser.

"Graphene er et virkelig utroligt materiale, fordi det i det væsentlige er et enkelt atomlag, der kan skabes af grafit. På grund af dets struktur og krystallinske arrangement, den har virkelig fænomenale egenskaber, "sagde LLNL materialingeniør Eric Duoss.

I løbet af det næste år, forskerne har til hensigt at udvide teknologien ved at udvikle nye 3D-designs, ved hjælp af forskelligt blæk, og forbedre ydeevnen af ​​eksisterende materialer.