3D-печатные суперконденсаторы достигают рекордной плотности энергии, сравнимой с традиционными батареями

• Исследователи загрузили 3D-печатные структуры пористого графенового аэрогеля оксидом марганца.
• Это позволило им уложить ультравысокую емкость хранения энергии в малую площадь.
• Плотности энергии эквивалентны некоторым традиционным батареям.

Псевдоконденсаторы — это тип устройств хранения энергии, которые могут эффективно балансировать требование быстрой зарядки/разрядки и высокую плотность энергии. Для реализации практических псевдоконденсаторов нам нужно разработать коллектор, который может одновременно обеспечивать эффективный электронный транспорт и ионную диффузию.

Недавние достижения в технологии 3D-печати предложили новые способы решения этой исключительной проблемы для псевдоконденсаторов. До сих пор было использовано множество стратегий для улучшения производительности этих устройств, включая введение дефектов, инженерию кристалличности и легирование элементами.

Недавно команда исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Лаборатории имени Лоуренса Ливермора построила 3D-печатные электроды суперконденсаторов, которые намного превосходят конвенциональные суперконденсаторы по плотности энергии и производительности.

Использование псевдоконденсативного материала для упаковки большей плотности

В этой работе исследователи показали 3D-печатные структуры пористого графенового аэрогеля, которые могут поддерживать высокие объемы широко используемого псевдоконденсативного материала — оксида марганца (MnO₂). Материал известен химическим хранением электрического заряда и демонстрацией ультравысокой теоретической энергопоемкости.

Это приводит к суперконденсатору, который имеет высокую ареальную емкость или массивное хранение электрического заряда на единицу площади. До сих пор никто не мог достичь этого подвига. По сравнению с другими конденсаторами, у него исключительная плотность энергии. Исследование может открыть новые двери для использования этого типа конденсаторов как источников быстрой зарядки для устройств вроде мобильных телефонов и ноутбуков.

Команда загрузила 3D-печатные пористые структуры 180 мг оксида марганца, используя технику химического разложения. Удивительно, но они смогли достичь до 100 раз более высоких уровней загрузки, чем другие, без деградации производительности.

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

Они добавили слой псевдоконденсативного оксида марганца на 3D-печатную графеновую структуру для расширения общей плотности энергии и емкости. Вместо нанесения селективного покрытия на внешнюю поверхность структуры, они полностью использовали ее огромную площадь поверхности.

Плюс

Что еще более возбуждающе в этом проекте, так это то, что это все еще не предел. Все масштабируемо. Есть много доступных макропор — решающего элемента для осаждения MnO₂ и эффективной диффузии ионов.

Фабрикация 3D-печатного электрода графенового аэрогеля/MnO₂ | По предоставлению исследователей

Они могут делать электроды толстыми, сохраняя приличную проводимость и ионную диффузию. Обычно, если вы продолжаете увеличивать толщину, в конечном счете она достигнет порога, особенно при высоких скоростях зарядки.

Но поскольку исследователи использовали 3D-структуру, они могут делать приличное использование более высокого заряда. Гравиметрическое значение не будет сильно деградировать, даже если они сделают структуру толще.

3D-печатная структура имеет многие другие преимущества. Например, вы можете контролировать размер пор, быстро изготавливать электроды и конфигурировать параметры так, как вы хотите. Также пористость может быть изменена путем изменения архитектурного дизайна структуры.

Читайте также: Самый сильный импульсный магнитный поля в помещении, когда-либо генерировавшийся

Настоящая работа делает акцент на производительности симметричных устройств суперконденсаторов, которая полагается на два похожих 3D-печатных электрода. В будущем годы исследователи будут использовать экстремально высокую загрузку активных материалов для построения асимметричных устройств, которые бы использовали два разных вещества на каждом электроде, еще больше увеличивая уровни плотности энергии и рабочего напряжения.