美國宇航局的恒心漫遊者2021年2月18日成功登陸火星，開始了為(wei) 期兩(liang) 年的任務，以尋找古代生命的跡象並收集樣本。由於(yu) 火星極冷（夜間溫度可能降至-112 F以下），因此需要加熱器以防止流動站的電池係統凍結。現在，研究人員在ACS《 Nano Letters》中進行了報道，他們(men) 將3D打印的多孔碳氣凝膠用於(yu) 超低溫超級電容器中的電極，從(cong) 而減少了未來太空和極地飛行任務的加熱需求。

在超低溫下快速存儲(chu) 和輸送電能的能力對於(yu) 人類探索月球、執行火星任務以及在極地地區的人類活動至關(guan) 重要。商用鋰離子電池和鋰離子電池的最低工作溫度超級電容器的溫度通常在-20°C至-40°C左右，受到電解液的凝固點限製。過去十年來，人們(men) 開發了改善的低溫性能的電解質，以增強儲(chu) 能裝置的低溫性能。例如，將具有低凝固點的溶劑與(yu) 具有高介電常數的溶劑混合以實現高鹽溶解度，以擴大電解質的工作溫度範圍。還製備了低共離子液體(ti) 以使凝固點達到數十度由於(yu) 抑製了結晶過程，因此比每個(ge) 單獨的電解質都要低。另外，外部或自熱組件已經進入。然而，這些輔助設備帶來了額外的重量，並且不斷需要電力。多年來，電極材料的結構工程已被證明是解決(jue) 電解質離子和電子傳(chuan) 輸電化學動力學問題的可行方法。然而，通過電極的結構工程來改善低溫器件性能的工作做得很少。

包含大孔、中孔和微孔的多尺度孔結構已被證明可有效改善超級電容器的離子擴散和速率能力。微孔的存在可顯著增加電極的比表麵積。同時，大孔和中孔可作為(wei) 電解液儲(chu) 存器，可在快速充電期間顯著縮短離子擴散長度。此外，2020年開發的具有對齊孔的3D打印碳晶格可實現整個(ge) 主體(ti) 中有效的離子擴散 ，即使在幾毫米的電極厚度下也是如此。在之前的工作基礎上，研究人員預計，由碳韌帶形成的分層多孔通道組成的3D打印晶格結構可以顯著降低離子擴散阻力和距離，從(cong) 而允許在低溫下運行。

來自加州大學的研究人員使用基於(yu) 纖維素納米晶體(ti) (cellulose nanocrystal, CNC)的墨水通過直接墨水書(shu) 寫(xie) (direct ink writing, DIW)方法製備了具有高表麵積的3D打印多尺度多孔碳氣凝膠，如圖1a所示。源自植物纖維素的CNCs由於(yu) 其高豐(feng) 度和在水溶液中的獨特性能而成為(wei) 3D打印的有前途的材料。首先，纖維素分子上的豐(feng) 富羥基（每個(ge) 單元六個(ge) ）在纖維素內(nei) 和與(yu) 水形成強氫鍵。纖維素基質可以在水溶液中實現98％的高保水率。其次，極負的ζ電位（約-60 mV）使納米纖維素能夠用作表麵活性劑，以幫助其他各種材料分散在其中。第三，納米纖維素的楊氏模量高。150 GPa，有助於(yu) 納米纖維素幹燥後保持其結構。CNCs主要用作增粘劑來製備用於(yu) 印刷的粘彈性油墨，而不是碳前體(ti) 。

▲圖1.（a）3D打印的多尺度多孔碳氣凝膠的製造示意圖。（b）將表觀粘度繪製為(wei) 剪切速率的函數。（c）繪製的CNCs / SiO2油墨的儲(chu) 能模量（G'）和損耗模量（G''）是切應力的函數。（d）形狀為(wei) “ UCSC”的3D打印的CNCs / SiO2氣凝膠的數字圖像。（e）具有不同厚度的3D打印的多尺度多孔碳氣凝膠的數字圖像。

▲圖2.（a）3D-MCA的俯視圖和（b）橫截麵SEM圖像。（c）3D-MCA的單個(ge) 碳韌帶的橫截麵SEM圖像。（d）從(cong) 韌帶表麵收集的SEM圖像。（e）SEM圖像和（f）在一片碳薄片的邊緣收集的TEM圖像。（f）中的插圖顯示了相應的SAED模式。

據研究表明，多尺度開放式3D多孔結構對於(yu) 在超低溫下實現出色的超級電容器性能至關(guan) 重要。在超低溫下，具有開孔結構的3D打印碳氣凝膠與(yu) 非3D打印本體(ti) 相比顯示出更高的儲(chu) 能電容。在70°C時，3D打印的MCA在5 mV s-的掃描速率下顯示出148.6 F g-的高電容，而在200 mV-的高掃描速率下顯示出71.4 F g-的高電容。表明超級電容器的性能在報告的最佳結果中名列前茅。重要的是，我們(men) 認為(wei) 3D-MCA的多孔結構可以進一步調整以改善其電容性能。例如，減小3D打印韌帶的直徑並同時增加其孔隙率可能會(hui) 降低離子擴散長度和電阻。還可以通過調整二氧化矽模板的大小和分布以及化學蝕刻方法的條件來增強3D-MCA的ECSA。還應探索具有不同離子尺寸的低溫電解質，並優(you) 化3D-MCA電極中的孔徑和分布。通過利用具有獨特油墨配方的增材製造技術來製造複雜的多孔碳結構的能力，為(wei) 低溫儲(chu) 能係統提供了新的機遇。

本文來源："Printing Porous Carbon Aerogels for Low Temperature Supercapacitors" Nano Letters (2021).