供稿人：李武丹 田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-11-27
在太空中储存能量是一个很棘手的任务。电池不喜欢寒冷的太空，因此必须加热才能使用。这需要在电池外壳内安装加热器，但这会增加一点额外的质量，并且还会对航天器的功率预算造成损失。如果有某种形式的能量存储解决方案可以在极端环境中发挥作用，例如在太空中，或者在行星的其他一些寒冷的荒地上，那将更加方便。
加州大学的一研究团队使用增材制造制造了一种在寒冷时工作的超级电容器。
图 1 3D打印多尺度多孔碳气凝胶的制备原理图
首先使用基于碳气凝胶纤维素纳米晶体的墨水将超级电容器电极打印成矩阵结构。然后将基质冷冻干燥并进行表面处理。这个过程会产生多孔结构，其表面的孔洞直径仅为 500 微米，如图2所示。可以在矩阵本身的光束中看到更小的孔隙。这些较小的孔隙以纳米尺度测量，由此产生的多孔网络允许离子扩散和电荷通过电极转移。更重要的是，它允许这个过程在低至 -70°C 的温度下发生，这对于火星寒冷的夜晚，甚至地球上的极地地区来说都是完美的。
图 2毛细孔
油墨本身是先合成SiO2纳米球，然后与硝化纤维素液混合而成。在装载到打印机上之前，墨水被放入注射器中进行离心操作去除气泡。打印机是Hyrel 30M 3D打印机，可以打印许多不同的材料。在打印好基质后，将其放入冷冻室，以防止水从结构上蒸发。然后，这些样品进行进一步的冷冻干燥过程，然后在熔炉中进行高温处理，将样品碳化成SiO2嵌入气凝胶。进一步的洗涤和干燥循环对样品进行，然后在熔炉中进行最后的鼓风以退火材料。
其结果是一种3D打印的多尺度多孔气凝胶(3D-MCA)，具有较大的表面积，有助于在低温下实现高电容，并在高扫描速率下保持该电容。该团队指出，这种气凝胶的电容值比非3D打印的多尺度多孔气凝胶高6.5倍。这证明了多孔结构在低温电容器制造中的价值。