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用于太空探索的3D打印超级电容器

三维-小维尼
2021-05-11 16:09:08

在太空任务中存储能量可能很棘手。电池不喜欢太空的寒冷,因此必须加热才能使用。这需要在电池盒内安装加热器,这会增加一些额外的质量(坏的),并且还会对航天器的功率预算造成不利影响。

如果存在某种形式的能量存储解决方案,该解决方案可以在极端环境(例如,适当的空间)或星球上其他一些寒冷的荒地上运行,则将更加方便。

嗯,这方面可能会有一些好消息,因为一组工程师已经使用增材制造技术制造了一种超级电容器,这种电容器在寒冷的时候也可以工作。真的很冷!

首先,使用基于碳气凝胶纤维素纳米晶体的油墨将超级电容器电极印刷成矩阵结构。然后将基质冷冻干燥并进行表面处理。

如下面的图片所示,此过程形成了一个多孔结构,其表面上的孔仅500微米。您可以在矩阵本身的光束中看到较小的孔。这些较小的孔在纳米尺度上测量,并且所形成的多孔网络允许离子扩散和通过电极的电荷转移。更重要的是,它允许该过程在低至-70°C的温度下发生,对于那些寒冷的火星夜晚,甚至是地球上的极地地区,它都是理想的选择。

毛孔粗大(图片来源:加利福尼亚大学)

油墨本身是通过首先合成SiO2纳米球,然后将其与****液混合来配制的。然后,在将墨水加载到打印机之前,先对其进行一些离心作用以除去气泡,然后将其放入注射器中。

墨水用纳米颗粒(图片来源:加利福尼亚大学)

在这种情况下,打印机是一台Hyrel 30M 3D打印机,它可以打印许多不同的材料。印刷完基质后,将其放入冰箱以防止水从结构中蒸发。

然后将样品进行进一步的冷冻干燥过程,然后在熔炉中将其处理至某些高温,以将样品碳化成SiO2嵌入的气凝胶。

对样品进行进一步的洗涤和干燥循环,然后在炉中进行最后的鼓风以使材料退火。

结果是具有大表面积的3D打印多尺度多孔气凝胶(3D-MCA),有助于在低温下实现高电容,并且还设法在高扫描速率下保持该电容。研究小组指出,气凝胶的电容值是非3D打印多尺度多孔气凝胶的6.5倍。

这证明了在低温电容器的制造中使用多孔结构的价值。美国宇航局也同意并将协助研究人员进行进一步的鉴定。

该研究小组主要来自加利福尼亚大学圣克鲁斯分校,还拥有中国中山大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(也是加利福尼亚州)的合作者,并由美国国家航空航天局和美国能源部资助研究,毫无疑问,他们对结果感到满意。

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