3D-geprinte Supercondensatoren Bereiken Record Energiedichtheid, Gelijkend Traditionele Batterijen

• Onderzoekers laden 3D-geprinte structuren van porouse grafene aerogel met mangaanoxide.
• Dit stelde hen in staat om een ultrahoog energieopslagcapaciteit in een klein gebied vast te leggen.
• De energiedichtheden zijn equivalent aan die van sommige traditionele batterijen.

Pseudocondensatoren zijn een type energieopslagapparaten die de vereiste van snelladen/ontladen en hoge energiedichtheid effectief kunnen balanceren. Om praktische pseudocondensatoren te realiseren, moeten we een collector ontwikkelen die gelijktijdig efficiënt elektronenvertransport en ionendiffusie mogelijk maakt.

De recente vooruitgang in 3D-printtechnologie heeft nieuwe manieren geboden om deze uitzonderlijke uitdaging voor pseudocondensatoren aan te pakken. Tot nu toe zijn talloze strategieën ingezet om de prestaties van deze apparaten te verbeteren, inclusief defectintroduktie, kristallijne engineering en elementaire doping.

Onlangs bouwde een team onderzoekers van de University of California, Santa Cruz en Lawrence Livermore National Laboratory 3D-geprinte supercondensatorelektroden die ver superieur zijn aan conventionele supercondensatoren in termen van energiedichtheid en prestaties.

Pseudocapacitief Materiaal Gebruiken Om Meer Dichtheid Te Pakken

In dit werk hebben onderzoekers 3D-geprinte structuren van porouse grafene aerogel getoond die hoge volumes van een wijd gebruikte pseudocapacitieve stof, mangaanoxide (MnO₂), kunnen ondersteunen. Het materiaal is bekend om elektrisch lading chemisch op te slaan en een ultrahoog theoretische energiecapaciteit te vertonen.

Dit resulteert in een supercondensator die een hoge areale capaciteit of een massive opslag van elektrische lading per eenheid oppervlakte heeft. Tot nu toe is niemand in staat geweest deze prestatie te bereiken. Vergeleken met andere condensatoren heeft het een uitzonderlijke energiedichtheid. De studie kan nieuwe deuren openen voor het gebruik van dit type condensatoren als snellaadstroomvoorzieningen voor apparaten zoals mobiele telefoons en laptops.

Het team laadde de 3D-geprinte porouse structuren met 180 mg mangaanoxide, met behulp van een chemische decompositietechniek. Verrassend genoeg, bereikten ze tot 100 keer hogere laadniveaus dan wat anderen hebben bereikt, zonder prestatieverlies.

Referentie: Cell | doi:10.1016/j.joule.2018.09.020 | LLNL

Ze voegden een laag pseudocapacitief mangaanoxide toe aan de 3D-geprinte grafene structuur om de algehele energiedichtheid en capaciteit uit te breiden. In plaats van een selectieve coating op het oppervlak van de structuur aan te brengen, gebruikten ze de enorme oppervlakte volledig uit.

Het Pluspunt

Wat nog spannender is aan dit project is dat het nog niet de limiet is. Alles is schaalbaar. Er zijn veel toegankelijke macroporen – een cruciale element voor het depositieren van MnO₂ en efficiënt diffuseren van ionen.

Fabricatie van een 3D-geprinte grafene aerogel/MnO₂ elektrode | Met dank aan onderzoekers

Ze kunnen de elektroden dik maken terwijl ze fatsoenlijke geleiding en ionendiffusie behouden. Typisch, als u de dikte blijft vergroten, bereikt het uiteindelijk een drempel, met name bij hoge laadsnelheden.

Maar aangezien onderzoekers een 3D-structuur hebben gebruikt, kunnen ze een fatsoenlijk gebruik maken van een hogere lading. De gravimetrische waarde zal niet veel degraderen, zelfs als ze de structuur dikker maken.

De 3D-geprinte structuur heeft nog veel meer voordelen. Bijvoorbeeld, u kunt de poriegrootte controleren, elektroden snel fabriceren, en parameters configureren zoals u wilt. Ook kan de porositeit gewijzigd worden door het architectonische ontwerp van de structuur te veranderen.

Lees ook: De Sterkste Indoor Gepulste Magnetische Veld Ooit Gegenereerd

Het huidige werk benadrukt de prestaties van symmetrische supercondensatorapparaten die vertrouwen op twee vergelijkbare 3D-geprinte elektroden. In de komende jaren zullen onderzoekers extreem hoge lading van actieve materialen gebruiken om asymmetrische apparaten te bouwen, die twee verschillende stoffen op elke elektrode zouden gebruiken, wat de energiedichtheid en werkingsspanning nog verder zou verhogen.