3D打印：石墨烯超级电容器

材料牛网注：3D打印技术如日中天，研究人员将3D打印技术应用于超级电容器开发出了新型超级电容器，该电容器的电极为3 D打印的气凝胶石墨烯电极。

李雅特(图左)、刘天宇与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员合作,开发出了新型超级电容器，该电容器的电极为3 D打印的气凝胶石墨烯电极。图片来源：T. Stephens

加州大学圣塔克鲁兹分校的科学家和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合报道了首例3D打印的石墨烯电极超级电容器，其电极的各项性能均优于传统方法制成的电极。他们的结果也预示了设计灵活的3D打印有望用于智能手机，可穿戴式装置，植入式设备，电动汽车和无线传感器等具有高效能量存储系统的设备。

该研究团队已经能够使用3D打印技术打印出微架构电极，采用该电极的超级电容器具有优良的使用性能。其3 D打印过程也称为直接打印和石墨烯氧化物复合打印。 该结果于1月20日发表在《纳米快报》,并将出现在《华尔街日报》3月期的封面。

加州大学圣塔克鲁兹分校化学系副教授兼通讯作者李雅特说：“采用3D打印石墨烯电极的超级电容器，其毫米级厚度的电极表现出突出的电容保持特性和较高的功率密度。其性能远远高于传统工艺制备的厚电极，厚电极的性能仅仅相当于比其薄十到一百倍的石墨烯电极的性能。”

文章的主要作者是LLNL工程师朱成和加州大学研究生刘天宇。朱成说： “打破二维制造范围的限制，我们可以广泛的制造3 D结构。例如：对于手机来说，你只需要为存储能量留下一个很小的区域。 并且该区域的几何形状可以非常复杂。”

快速充电

朱成还表示：超级电容器也可以非常快速，理论上只需要几分钟甚至几秒就能达到满负荷。 有关研究人员认为，在未来的研究内容中，这种3 D打印的超级电容器将用于生产各种独特的电子产品，比如完全私人定制的智能手机和纸质或可折叠的设备等，而这些是目前的合成方法很难甚至不可能做到的。

根据李雅特的解释，从可打印的石墨烯墨水的发展开始，一些关键性的突破已经使这些新设备成为可能。 改良的3D打印方案结合气凝胶工艺使得3D打印结构中的单层石墨烯片层维持其自身重要的机械和电性能成为可能。另外，使用3D打印制造具有周期性大孔隙的石墨烯电极能显著增强大量能量的传输，且在不降低超级电容器容量的前提下还能使设备具有更快的充电/放电率。

李雅特还补充道：“我们的研究为如何显著扩大3 D打印材料（石墨烯气凝胶）的设计空间以制造出高性能且完全可积的能源存储设备，这些设备都有很广泛的应用。”

石墨烯油墨具有超高表面积，轻量级，弹性以及优良导电性等优点。另外，据研究人员透漏， 石墨烯复合气凝胶超级电容器具有很高的稳定性，它能够经过10000年连续不断的充放电循环后仍保持原来的能量容量。

LLNL材料工程师Eric Duoss说： “石墨烯是一种非常不可思议的材料。因为它本质上是一种可以由石墨生成的单原子层，但是却 由于其独特的结构和晶格排列而产生异常惊人的性能。”

未来一年，研究人员计划通过开发新的3D设计，使用不同的油墨，以及改善现有材料的性能等一系列措施来扩大3D技术的应用范围。

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感谢材料人编辑部杨洪期提供素材