供稿人：李武丹 田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-11-27
在太空中儲存能量是一個很棘手的任務(wù)。電池不喜歡寒冷的太空，因此必須加熱才能使用。這需要在電池外殼內(nèi)安裝加熱器，但這會增加一點(diǎn)額外的質(zhì)量，并且還會對航天器的功率預(yù)算造成損失。如果有某種形式的能量存儲解決方案可以在極端環(huán)境中發(fā)揮作用，例如在太空中，或者在行星的其他一些寒冷的荒地上，那將更加方便。
加州大學(xué)的一研究團(tuán)隊(duì)使用增材制造制造了一種在寒冷時工作的超級電容器。
圖 1 3D打印多尺度多孔碳?xì)饽z的制備原理圖
首先使用基于碳?xì)饽z纖維素納米晶體的墨水將超級電容器電極打印成矩陣結(jié)構(gòu)。然后將基質(zhì)冷凍干燥并進(jìn)行表面處理。這個過程會產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，其表面的孔洞直徑僅為 500 微米，如圖2所示。可以在矩陣本身的光束中看到更小的孔隙。這些較小的孔隙以納米尺度測量，由此產(chǎn)生的多孔網(wǎng)絡(luò)允許離子擴(kuò)散和電荷通過電極轉(zhuǎn)移。更重要的是，它允許這個過程在低至 -70°C 的溫度下發(fā)生，這對于火星寒冷的夜晚，甚至地球上的極地地區(qū)來說都是完美的。
圖 2毛細(xì)孔
油墨本身是先合成SiO2納米球，然后與硝化纖維素液混合而成。在裝載到打印機(jī)上之前，墨水被放入注射器中進(jìn)行離心操作去除氣泡。打印機(jī)是Hyrel 30M 3D打印機(jī)，可以打印許多不同的材料。在打印好基質(zhì)后，將其放入冷凍室，以防止水從結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)。然后，這些樣品進(jìn)行進(jìn)一步的冷凍干燥過程，然后在熔爐中進(jìn)行高溫處理，將樣品碳化成SiO2嵌入氣凝膠。進(jìn)一步的洗滌和干燥循環(huán)對樣品進(jìn)行，然后在熔爐中進(jìn)行最后的鼓風(fēng)以退火材料。
其結(jié)果是一種3D打印的多尺度多孔氣凝膠(3D-MCA)，具有較大的表面積，有助于在低溫下實(shí)現(xiàn)高電容，并在高掃描速率下保持該電容。該團(tuán)隊(duì)指出，這種氣凝膠的電容值比非3D打印的多尺度多孔氣凝膠高6.5倍。這證明了多孔結(jié)構(gòu)在低溫電容器制造中的價值。