Суперконденсаторы, напечатанные на 3D-принтере, достигли рекордной производительности

• Исследователи загрузили 3D-печатные структуры из пористого графенового аэрогеля оксидом марганца.
• Это позволило им получить сверхвысокую емкость хранения энергии на небольшой площади.
• Плотность энергии эквивалентна плотности некоторых традиционных батарей.

Псевдоконденсаторы - это тип накопителей энергии, которые могут эффективно сбалансировать требования быстрой зарядки / разрядки и высокой плотности энергии. Чтобы реализовать практические псевдоконденсаторы, нам необходимо разработать коллектор, который может одновременно обеспечивать эффективный перенос электронов и диффузию ионов.

Последние достижения в технологии 3D-печати предложили новые способы решения этой исключительной проблемы, связанной с псевдоконденсаторами. До сих пор использовались многочисленные стратегии для улучшения характеристик этих устройств, в том числе введение дефектов, инженерия кристалличности и элементное легирование.

Недавно группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса построила электроды суперконденсатора, напечатанные на 3D-принтере, которые намного превосходят обычные суперконденсаторы по плотности энергии и характеристикам.

Использование псевдоемкостного материала для увеличения плотности

В этой работе исследователи продемонстрировали напечатанные на 3D-принтере структуры из пористого графенового аэрогеля, способные выдерживать большие объемы широко используемого псевдоемкостного материала, оксида марганца (MnO ₂ ). Этот материал известен своей химической способностью накапливать электрический заряд и демонстрирует сверхвысокую теоретическую энергоемкость.

Это приводит к суперконденсатору, который имеет высокую поверхностную емкость или большой накопитель электрического заряда на единицу площади. До сих пор никому не удавалось добиться этого подвига. По сравнению с другими конденсаторами он имеет исключительную плотность энергии. Исследование может открыть новые возможности для использования конденсаторов этого типа в качестве источников питания с быстрой зарядкой для таких устройств, как мобильные телефоны и ноутбуки.

Команда загрузила в пористые структуры, напечатанные на 3D-принтере, 180 мг оксида марганца, используя метод химического разложения. Удивительно, но им удалось достичь уровня загрузки в 100 раз больше, чем у других, без снижения производительности.

Ссылка:Ячейка | doi:10.1016 / j.joule.2018.09.020 | LLNL

Они добавили слой псевдоемкостного оксида марганца на трехмерную печатную структуру графена, чтобы увеличить общую плотность энергии и емкость. Вместо того, чтобы наносить выборочное покрытие на внешнюю поверхность конструкции, они полностью использовали ее огромную площадь.

Плюс

Что еще интереснее в этом проекте, так это то, что это еще не предел. Все масштабируемо. Есть много доступных макропор - решающий элемент для отложения MnO ₂ и эффективно рассеивают ионы.

Изготовление трехмерного печатного графенового аэрогеля / MnO ₂ электрод | Предоставлено исследователями

Они могут сделать электроды толстыми, сохраняя при этом приличную проводимость и диффузию ионов. Обычно, если вы продолжаете увеличивать толщину, в конечном итоге она достигает порогового значения, особенно при высоких скоростях зарядки.

Но поскольку исследователи использовали трехмерную структуру, они могут прилично использовать более высокий заряд. Гравиметрические показатели не сильно ухудшатся, даже если они сделают структуру толще.

Структура, напечатанная на 3D-принтере, имеет много других преимуществ. Например, вы можете контролировать размер пор, быстро изготавливать электроды и настраивать параметры по своему усмотрению. Кроме того, пористость можно изменить, изменив архитектурный дизайн конструкции.

Читайте:Самое сильное импульсное магнитное поле в помещении из когда-либо созданных

В настоящей работе особое внимание уделяется характеристикам симметричных суперконденсаторных устройств, которые основаны на двух похожих электродах, напечатанных на 3D-принтере. В ближайшие годы исследователи будут использовать чрезвычайно высокую загрузку активных материалов для создания асимметричных устройств, в которых на каждом электроде будут использоваться два разных вещества, что еще больше повысит уровни плотности энергии и рабочего напряжения.