Forskare vid UC Santa Cruz och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har rapporterat det första exemplet på ultrasnabba 3D-utskrivna grafen-superkondensatorelektroder som överträffar jämförbara elektroder tillverkade med traditionella metoder. Deras resultat öppnar dörren till roman, obegränsad design av högeffektiva energilagringssystem för smartphones, användbara, implanterbara enheter, elbilar och trådlösa sensorer.

Genom att använda en 3D-utskriftsprocess som kallas direktbläckskrivning och ett kompositbläck av grafenoxid, teamet kunde skriva ut mikroarkitekturerade elektroder och bygga superkondensatorer med utmärkta prestandaegenskaper. Resultaten publicerades online den 20 januari i tidskriften Nanobokstäver och kommer att finnas med på omslaget till marsnumret av tidskriften.

"Superkondensatorenheter som använder våra 3D-printade grafenelektroder med tjocklekar i storleksordningen millimeter uppvisar enastående kapacitansretention och effekttätheter, " sa motsvarande författare Yat Li, docent i kemi vid UC Santa Cruz. "Denna prestanda överträffar avsevärt prestandan hos konventionella enheter med tjocka elektroder, och det är lika med eller överträffar prestandan för rapporterade enheter gjorda med elektroder som är 10 till 100 gånger tunnare."

LLNL-ingenjören Cheng Zhu och UCSC-studenten Tianyu Liu är huvudförfattare till uppsatsen. "Detta bryter igenom begränsningarna för vad 2D-tillverkning kan göra, ", sa Zhu. "Vi kan tillverka ett stort utbud av 3D-arkitekturer. I en telefon, till exempel, du skulle bara behöva lämna ett litet område för energilagring. Geometrin kan vara mycket komplex."

Snabbladdning

Superkondensatorer kan också ladda otroligt snabbt, Zhu sa, i teorin tar det bara några minuter eller sekunder för att nå full kapacitet. I framtiden, forskarna tror att nydesignade 3D-printade superkondensatorer kommer att användas för att skapa unik elektronik som för närvarande är svår eller till och med omöjlig att göra med andra syntetiska metoder, inklusive helt anpassade smartphones och pappersbaserade eller vikbara enheter, samtidigt som man uppnår oöverträffade prestationsnivåer.

Enligt Li, flera viktiga genombrott gjorde dessa nya enheter möjliga, börjar med utvecklingen av ett tryckbart grafenbaserat bläck. Modifiering av 3D-utskriftsschemat för att vara kompatibelt med aerogelbearbetning gjorde det möjligt att bibehålla de viktiga mekaniska och elektriska egenskaperna hos enstaka grafenark i de 3D-utskrivna strukturerna. Till sist, Användningen av 3D-utskrift för att intelligent konstruera periodiska makroporer i grafenelektroden förbättrar masstransporten avsevärt, vilket gör att enheten kan stödja mycket snabbare laddnings-/urladdningshastigheter utan att försämra dess kapacitet.

"Detta arbete ger ett exempel på hur 3D-utskrivna material som grafenaerogeler avsevärt kan utöka designutrymmet för tillverkning av högpresterande och helt integrerbara energilagringsenheter optimerade för ett brett spektrum av applikationer, " sa Li.

Fördelarna med grafenbaserade bläck inkluderar deras ultrahöga yta, lätta egenskaper, elasticitet, och överlägsen elektrisk ledningsförmåga. Grafenkompositaerogel-superkondensatorerna är också extremt stabila, forskarna rapporterade, kan nästan helt behålla sin energikapacitet efter 10, 000 på varandra följande laddnings- och urladdningscykler.

"Grafen är ett riktigt otroligt material eftersom det i huvudsak är ett enda atomlager som kan skapas av grafit. På grund av dess struktur och kristallina arrangemang, den har verkligen fenomenala möjligheter, " sa LLNL materialingenjör Eric Duoss.

Under nästa år, forskarna avser att utöka tekniken genom att utveckla nya 3D-designer, använder olika bläck, och förbättra prestandan hos befintliga material.