科學家們雖然在研發(fā)過程中走了一點彎路，但他們制備的基于活性石墨烯材料(graphene-enabled)的超級電容器已然準備好給世人一點驚喜。這是該研究領域一次重大的進步，來自加州大學圣克魯茲分校(UCSC)和勞倫斯·利弗莫爾實驗室(LLNL)的研究人員們使用一種基于石墨烯的氣凝膠(graphene-based aerogel)材料成功制備出用于超級電容器的電極，該元件具備有史以來最高的面積比電容(areal capacitance)。 %Y[/Ucdm  
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他們在制備石墨烯電極時采用的3D打印技術攻克了之前被認為是橫亙在超級電容器發(fā)展道路上的重量(weight)、比表面積(surface area)、電極總電容量(total volume capacitance)三者的平衡問題。在之前的應用中，有著高比表面積的石墨烯氣凝膠電極往往在體積比電容這一指標上的表現(xiàn)差強人意，而換用3D打印的石墨烯氣凝膠電極后，該項性能竟然下降得更多了 ！究其原因，是因為其“打印”出來的長絲(printed filaments)之間有周期性出現(xiàn)的大孔隙(periodic large pores)。 ~w%+y  
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“我們的工作第一次展示了一種能規(guī)避掉這個問題的3D打印技術”，加州大學圣克魯茲分校教授Yat Li說到。他同時也是這篇發(fā)表在焦耳雜志（journal Joule）上介紹該團隊研究成果的論文的共同作者。據(jù)他介紹，這是科學家第一次能在不犧牲電極電化學性能的條件下制成每立方厘米含超過180毫克活性材料的大質(zhì)量負載(high mass loading)。 (3S/"
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“雖然3D打印石墨烯氣凝膠體積比電容(low volumetric capacitance)較低，但是我們成功通過向疏松多孔的石墨烯碳架內(nèi)注入更多納米材料的方式增大了它的密度，進而達到提升性能的目的，”Li教授說到，“我們的3D打印石墨烯氣凝膠/二氧化錳電極(3D-printed graphene aerogel/MnO2 electrodes)的體積比電容性能相比傳統(tǒng)純石墨烯氣凝膠電極(pure graphene aerogel electrodes)提升了數(shù)百倍。”按照Li的說法，他們制成的這些質(zhì)量負載性能比之前學術雜志報道過的提升了大約2到3個量級。 S`-IQ,*}  
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這項研究成果或許還將深刻影響儲能裝置未來的發(fā)展方向。迄今為止，大多數(shù)材料在質(zhì)量負載增加情況下會因為電極內(nèi)離子擴散不足(ion diffusion)而喪失大部分儲能能力。令人欣喜的是，該團隊的這項工作驗證了“打印”制備超級電容器電極的可行性，這必將在超級電容器制造領域掀起一場技術革命。 v2<gkCK^  
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在這項最新的研究發(fā)表前幾年，我們報道過許多引人注目的“基于石墨烯材料的超級電容器達到有史以來最高能量密度(energy density)(單位質(zhì)量所儲存的能量)”的專題文章。這一系列報道在2015年隨著韓國研究人員聲稱制出能量密度高達131瓦時/千克的超級電容器石墨烯電極到達頂峰。當時，采用其他材料制備的超級電容器電極平均只能達到28瓦時/千克的水平，足足提升了四倍多��！即便如此，相比平均能量密度200瓦時/千克的鋰離子電池，超級電容器依舊相形見絀。 ?n~j2-[<  
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科學家們?yōu)楹稳绱藞?zhí)著于提升石墨烯超級電容器的能量密度呢？這是因為一些人相信既然超級電容器充電速度遠大于鋰離子電池(Li-ion batteries)，那它完全有成為電動汽車(electric vehicle,EV)能量來源的潛力。如果這個設想可以實現(xiàn)，那么駕駛電動汽車就和駕駛燃油車沒什么區(qū)別了：你來到充電站，只需要以往給燃油車加滿油的時間，就可以給你的電動汽車充滿電了。雖然有人依舊在為此努力著，但是許多人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超級電容器很難滿足要求。 S;kc{?  
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起初，這些最新用3D打印技術制備的石墨烯氣凝膠電極在能量密度上的表現(xiàn)可能并未打消質(zhì)疑者對于超級電容器是否能應用于電動汽車上的疑慮。Li教授介紹說，加州大學圣克魯茲分校和勞倫斯·利弗莫爾實驗室的聯(lián)合研究團隊在對這些電極測試后發(fā)現(xiàn)，在功率密度為0.55瓦/千克時，其最大能量密度為4.3瓦時/千克；在能量密度為1.3瓦時/千克時，其最大功率密度為89.4瓦/千克。 (8/xSOZ[  
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這些數(shù)據(jù)看起來似乎大大低于幾年前報道的石墨烯材料超級電容器的性能。可是，Li教授強調(diào)，這些數(shù)據(jù)是在質(zhì)量負載為182.2毫克/平方厘米的裝置上取得的。要知道，之前報道過的那些高能量密度的裝置所采用的是極低質(zhì)量密度的活性材料負載(小于1毫克/平方厘米)，他們的電子轉移和離子擴散效率遠遠高于那些大質(zhì)量負載。Li表示，這些因素說明他們的超級電容器在能量密度上已經(jīng)達到目前最先進超級電容器的中間位置。 4&WzGnK  
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“這些有著高面能量密度(areal energy density)的超級電容器在諸如可穿戴儲能裝置(wearable energy-storage device)等由于人體表面積有限而對可用表面積有要求的應用上前途遠大”，Li教授說道，“這些超級電容器在極高質(zhì)量負載下電化學性能(electrochemical performance)依舊搶眼的表現(xiàn)也意味著他們會在電動汽車研發(fā)中大放異彩�！� OF}_RGKg3  
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Li教授強調(diào)，迄今為止他們制造的電極都是對稱的(symmetric)，即用同一種材料制成的。當使用不同材料制備兩個電極時就能得到不對稱超級電容器，這將大大提高他們的能量密度和工作電壓(working voltages)。 gpl!Iz~5  
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雖然任何蓄電池技術(battery storage technology)在實驗室中都可以取得鼓舞人心的結果，但是科技成果轉化為生產(chǎn)力的過程就十分復雜了。俗話說，科學家的心頭好就是工程師的催命鬼。Li教授也承認這項3D打印石墨烯氣凝膠技術的商業(yè)化應用會遇到一系列挑戰(zhàn)。 /v<8x?=  
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困難主要在兩方面：第一，這些電極的大規(guī)模生產(chǎn)將消耗大量石墨烯或氧化石墨烯材料(graphene oxide materials)，而這些材料目前在世界范圍內(nèi)尚未廣泛使用；第二，石墨烯和氧化石墨烯納米片(graphene oxide nanosheets)的價格較高，限制了它們在工業(yè)中的廣泛應用。 6!m#_z8qG3  
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但是Li強調(diào)，這種3D打印法提供了一種嶄新的、簡便的途徑制造可控形狀的超級電容器電極，這可以滿足特種行業(yè)的需求。 'v5gg2  
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在論證完對稱超級電容器性能后，Li打算下一步聚焦于不對稱超級電容器制造。目前，研究人員受困于無法找到適合3D打印石墨烯陰極材料的超高面電容的陽極材料(cathode materials)，還只能在極高質(zhì)量負載上制造對稱超級電容器。 LLN^^>5|l  
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Li教授在最后補充到他們會尋找可能的合作者來繼續(xù)這項研究。 bm|8Jbsb&  
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原文鏈接：https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/3d-printed-graphene-aerogel-reaches-highest-capacitance-yet-for-a-supercapacitor?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg