3D-geprinte supercondensatoren bereiken recordbrekende prestaties

• Onderzoekers hebben 3D-geprinte structuren van poreuze grafeen-aerogel geladen met mangaanoxide.
• Hierdoor konden ze een ultrahoge energieopslagcapaciteit vastleggen in een klein gebied.
• De energiedichtheid is gelijk aan die van sommige traditionele batterijen.

Pseudocondensatoren zijn een soort energieopslagapparaten die de vereiste van snel opladen/ontladen en een hoge energiedichtheid effectief kunnen balanceren. Om praktische pseudocondensatoren te realiseren, moeten we een collector ontwikkelen die tegelijkertijd efficiënt elektronentransport en ionendiffusie mogelijk maakt.

De recente ontwikkelingen in de 3D-printtechnologie hebben nieuwe manieren geboden om deze uitzonderlijke uitdaging voor pseudocondensatoren aan te pakken. Tot nu toe zijn er talloze strategieën gebruikt om de prestaties van deze apparaten te verbeteren, waaronder het introduceren van defecten, kristalliniteitsengineering en elementaire doping.

Onlangs heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Cruz en Lawrence Livermore National Laboratory 3D-geprinte supercondensatorelektroden gebouwd die qua energiedichtheid en prestaties veel beter zijn dan conventionele supercondensatoren.

Pseudocapacitief materiaal gebruiken om meer dichtheid te verpakken

In dit werk hebben onderzoekers 3D-geprinte structuren van poreuze grafeen-aerogel getoond die grote hoeveelheden van een veelgebruikt pseudocapacitief materiaal, mangaanoxide (MnO₂ ). Het materiaal staat bekend om het chemisch opslaan van elektrische lading en het vertonen van een ultrahoge theoretische energiecapaciteit.

Dit resulteert in een supercondensator met een hoge oppervlaktecapaciteit of een enorme opslag van elektrische lading per oppervlakte-eenheid. Tot nu toe heeft niemand deze prestatie kunnen bereiken. In vergelijking met andere condensatoren heeft het een uitzonderlijke energiedichtheid. De studie zou nieuwe deuren kunnen openen voor het gebruik van dit type condensatoren als snellaadstroombronnen voor apparaten zoals mobiele telefoons en laptops.

Het team laadde de 3D-geprinte poreuze structuren met 180 mg mangaanoxide, met behulp van een chemische ontledingstechniek. Verrassend genoeg waren ze in staat om tot 100 keer meer laadniveaus te bereiken dan anderen, zonder de prestaties te verminderen.

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

Ze voegden een laag pseudocapacitief mangaanoxide toe op een 3D-geprinte grafeenstructuur om de algehele energiedichtheid en capaciteit te vergroten. In plaats van een selectieve coating op het buitenoppervlak van de structuur aan te brengen, hebben ze het enorme oppervlak volledig benut.

Het pluspunt

Wat nog spannender is aan dit project, is dat het nog steeds niet de limiet is. Alles is schaalbaar. Er zijn veel toegankelijke macroporiën - een cruciaal element voor het deponeren van MnO₂  en ionen efficiënt te verspreiden.

Vervaardiging van een 3D-geprint grafeen aerogel/MnO₂  elektrode | Met dank aan onderzoekers 

Ze kunnen de elektroden dik maken terwijl ze een behoorlijke geleidbaarheid en ionendiffusie behouden. Als u de dikte blijft vergroten, zal deze uiteindelijk een drempel bereiken, vooral bij hoge laadsnelheden.

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

De 3D-geprinte structuur heeft nog veel meer voordelen. U kunt bijvoorbeeld de grootte van poriën regelen, elektroden snel vervaardigen en de parameters configureren zoals u dat wilt. De porositeit kan ook worden gewijzigd door het architecturale ontwerp van de structuur te wijzigen.

Lezen:het sterkste gepulseerde magnetische veld dat ooit is gegenereerd

Het huidige werk legt de nadruk op de prestaties van symmetrische supercondensatorapparaten die afhankelijk zijn van twee vergelijkbare 3D-geprinte elektroden. In de komende jaren zullen onderzoekers een extreem hoge belasting van actieve materialen gebruiken om asymmetrische apparaten te bouwen, die twee verschillende stoffen op elke elektrode zouden gebruiken, waardoor de niveaus van energiedichtheid en werkspanning verder worden verhoogd.