2016年2月9日，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和加州大學(xué)Santa Cruz分校的科學(xué)家們宣布，他們首次使用超輕的石墨烯凝膠3D打印出超級(jí)電容，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師更加自由、不受設(shè)計(jì)限制地將高效能源存儲(chǔ)系統(tǒng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、電動(dòng)汽車和無(wú)線傳感器打開了大門。

      據(jù)了解，LLNL的研究團(tuán)隊(duì)使用了一種被稱為直接油墨書寫（direct-ink writing）的3D打印工藝和該實(shí)驗(yàn)室自己設(shè)計(jì)的氧化石墨烯復(fù)合油墨來(lái)打印微結(jié)構(gòu)，制造出可以保留能量的超級(jí)電容，比當(dāng)前使用電極制造的同類電容薄10至100倍。

該成果于2016年1月28日被在線發(fā)表在《Nano Letters》雜志上。

       “這項(xiàng)技術(shù)突破了2D制造的限制。”該論文的第一作者，LLNL的工程師Cheng Zhu說(shuō)。“我們可以（用它）制造出各種各樣、非常復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)使我們?cè)谥悄苁謾C(jī)里為能量存儲(chǔ)系統(tǒng)留下一個(gè)很小的空間即可。”

微結(jié)構(gòu)、超輕量級(jí)的3D打印超級(jí)電容器比用電極構(gòu)成的電容薄10至100倍（Cheng Zhu（右）與Fang Qian）

      而且，Cheng Zhu稱，這種超級(jí)電容器的充電速度也非常快。理論上只需幾分鐘或者幾秒鐘即可充滿電量。Zhu和他的同事們相信，將來(lái)全新設(shè)計(jì)的3D打印超級(jí)電容可以用來(lái)創(chuàng)建當(dāng)前很難制造、甚至用其它方法不可能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特電子產(chǎn)品，比如完全定制的智能手機(jī)或者折疊裝置等，與此同時(shí)其性能也將達(dá)到前所未有的水平。

“我們正在開創(chuàng)性地將3D打印及多孔材料結(jié)合起來(lái)。”該論文的共同作者、材料和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家Fang Qian說(shuō)：“考慮到超級(jí)電容可以作為一種便攜式的能源裝置，所以任何用電的裝置都可以從中獲益。如果我們可以使用輕便、緊湊和高性能的超級(jí)電容器來(lái)代替當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)（技術(shù)），這將是一個(gè)徹底的改變。”據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，相對(duì)于碳基材料，石墨烯油墨的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，它具有超高的表面積、重量性，彈性和導(dǎo)電性也非常出色。除此之外，石墨烯復(fù)合氣凝膠超級(jí)電容器的性能也非常穩(wěn)定。研究人員稱，這種電容在經(jīng)過(guò)10000次充放電循環(huán)之后仍然能夠幾乎完整地保留他們的充電能力。

    “增材制造的3D儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)將提升超級(jí)電容器的能量和功率特性，使輕量化、小型化的電源成為可能。”LLNL材料工程師Eric duoss說(shuō)。“石墨烯是一種令人難以置信的材料，因?yàn)樗�本質(zhì)上是一個(gè)單原子層，可以用石墨來(lái)制造。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和晶體排列方式，它真的具有非凡的能力。”

在這項(xiàng)研究中，LLNL實(shí)驗(yàn)室的研究人員還與加州大學(xué)Santa Cruz分校的Yat Li教授及其研究生Tianyu Liu進(jìn)行了密切合作，后者負(fù)責(zé)分析該項(xiàng)目的電化學(xué)特征，并對(duì)該技術(shù)使用的材料進(jìn)行優(yōu)化。

     在接下來(lái)的一年中，科學(xué)家們計(jì)劃通過(guò)開發(fā)新的3D設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展該技術(shù)的應(yīng)用空間，同時(shí)嘗試使用不同的油墨，并改進(jìn)現(xiàn)有材料的性能。

據(jù)了解，該項(xiàng)研究的資金來(lái)自LLNL內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與開發(fā)（LDRD）計(jì)劃。

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