3D Printed Graphene Airgel może prowadzić do mocnych superkondensatorów

Superkondensatory to urządzenia do magazynowania energii, które ładują się bardzo szybko i mogą zachować swoją pojemność magazynowania przez dziesiątki tysięcy cykli ładowania. Ich zastosowania obejmują regeneracyjne układy hamulcowe w pojazdach elektrycznych. Mają mniej energii w tej samej ilości miejsca co baterie i nie utrzymują ładunków przez tak długi czas - ale postępy w technologii superkondensatorów mogą uczynić je konkurencyjnymi z akumulatorami w szerszym zakresie zastosowań. W badaniu zatytułowanym "Wydajne elektrody Pseudocapacitive 3D Printed with Ultrahigh MnO2 Loading" grupa naukowców z UC Santa Cruz i Lawrence Livermore National Laboratory osiągnęła niespotykane wyniki z elektrody superkondensatora. Elektroda została wytworzona z aerożelu grafenowego 3D do drukowania, który został użyty do zbudowania porowatego rusztowania 3D z materiałem pseudocapatywnym.

W testach elektrody osiągnęły najwyższą pojemnościową pojemność, jaką kiedykolwiek podano dla superkondensatora. We wcześniejszych badaniach naukowcy uzyskali niezwykle szybkie elektrody superkondensacyjne 3D wydrukowane z aerożelu grafenowego. Tym razem wykorzystali udoskonalony grafofilowy aerożel do zbudowania porowatego rusztowania obciążonego tlenkiem manganu.

Pseudokondensator jest rodzajem superkondensatora, który przechowuje energię poprzez reakcję na powierzchni elektrody, dając mu więcej baterii jak w przypadku superkondensatorów, które przechowują energię głównie za pomocą mechanizmu elektrostatycznego (zwanego elektryczną dwuwarstwową pojemnością lub EDLC).

"Problem z pseudokonserwatorami polega na tym, że zwiększając grubość elektrody, pojemność gwałtownie spada z powodu powolnej dyfuzji jonów w masie "- powiedział UC Santa Cruz, profesor chemii i biochemii Yat Li. "Wyzwanie polega zatem na zwiększeniu obciążenia masy materiału pseudokondensatora bez poświęcania pojemności magazynowania energii na jednostkę masy lub objętości."

Badanie pokazuje przełom w równoważeniu obciążenia masowego i pojemności w pseudokondensatorze. Naukowcy zwiększyli masowe obciążenie do rekordowych poziomów ponad 100 miligramów tlenku manganu na centymetr kwadratowy bez obniżania wydajności, co stanowi znaczny wzrost w porównaniu z komercyjnymi urządzeniami, które mają poziomy około 10 miligramów na centymetr kwadratowy

pojemność wzrosła również liniowo wraz z obciążeniem masowym tlenku manganu i grubości elektrody, podczas gdy pojemność na gram (pojemność grawimetryczna) pozostała prawie równaniezmienione. Wskazuje to, że wydajność elektrody nie jest ograniczona przez dyfuzję jonów nawet przy tak dużym obciążeniu masą.

W tradycyjnej produkcji superkondensatorów, według ucznia absolwenta Bin Lao, cienka powłoka z materiału elektrody jest nakładana na cienka blacha, która służy jako kolektor prądu. Zwiększenie grubości powłoki powoduje spadek wydajności, więc wiele arkuszy jest ułożonych w stos, aby uzyskać pojemność, zwiększając masę i koszty materiałowe.

"Przy naszym podejściu nie potrzebujemy układania w stos, ponieważ możemy zwiększyć pojemność poprzez zwiększając gęstość elektrody bez utraty wydajności ", powiedział Yao.

Naukowcom udało się zwiększyć grubość elektrod do czterech milimetrów bez obniżenia wydajności. Elektrody zaprojektowano z periodyczną strukturą porów, która umożliwia zarówno równomierne osadzanie materiału, jak i wydajny rozkład jonów do ładowania i rozładowywania. Sama drukowana struktura to krata wykonana z cylindrycznych porowatych prętów aerożelu grafenowego. Tlenek manganu jest następnie osadzany na siatce.

"Kluczową innowacją w tym badaniu jest zastosowanie druku 3D do wytworzenia racjonalnie zaprojektowanej struktury zapewniającej rusztowanie węglowe do wspierania materiału pseudokapakcyjnego" - powiedział Li. "Te odkrycia potwierdzają nowe podejście do wytwarzania urządzeń magazynujących energię za pomocą druku 3D."

Superkondensatory wykonane z elektrod wykazały dobrą stabilność w czasie jazdy, zachowując ponad 90% początkowej pojemności po 20 000 cyklach ładowania i rozładowania . Trójwymiarowe elektrody drukowane zapewniają dużą elastyczność w projektowaniu, a tusze grafenowe zapewniają ultrawysoką powierzchnię, lekkie właściwości, elastyczność i doskonałe przewodnictwo elektryczne.

Autorami publikacji są Bin Yao, Swetha Chandrasekaran, Jing Zhang, Wang Xiao, Fang Qian, Cheng Zhu, Eric B. Duoss, Christopher M. Spadaccini, Marcus A. Worsley i Yat Li.