3D-gedruckte Superkondensatoren erreichen Rekord-Energiedichte, vergleichbar mit herkömmlichen Batterien

• Forscher luden 3D-gedruckte poröse Graphen-Aerogel-Strukturen mit Manganoxid.
• Ermöglichte ultrahohe Energiespeicherkapazität auf kleinem Raum.
• Energiedichten entsprechen denen einiger traditioneller Batterien.

Pseudokondensatoren sind Energiespeicher, die schnelles Laden/Entladen und hohe Energiedichte effektiv ausbalancieren könnten. Für praktische Pseudokondensatoren braucht man einen Kollektor, der gleichzeitig effizienten Elektronentransport und Ionendiffusion ermöglicht.

Jüngste Fortschritte im 3D-Druck boten neue Wege, diese Herausforderung für Pseudokondensatoren anzugehen. Bisher wurden zahlreiche Strategien zur Leistungssteigerung eingesetzt: Defekteinführung, Kristallinitäts-Engineering, Elementdotierung.

Forscher der University of California, Santa Cruz und Lawrence Livermore National Laboratory bauten kürzlich 3D-gedruckte Superkondensatorelektroden, die konventionellen Superkondensatoren in Energiedichte und Performance weit überlegen sind.

Pseudokapazitives Material für mehr Dichte nutzen

In dieser Arbeit zeigten Forscher 3D-gedruckte poröse Graphen-Aerogel-Strukturen, die hohe Volumen eines weit verbreiteten pseudokapazitiven Materials tragen: Manganoxid (MnO₂). Bekannt für chemische Ladungsspeicherung und ultrahohe theoretische Energiekapazität.

Resultat: Superkondensator mit hoher Flächenkapazität – massive Ladungsspeicherung pro Flächeneinheit. Bisher konnte niemand dies erreichen. Im Vergleich zu anderen Kondensatoren hat es außergewöhnliche Energiedichte. Die Studie könnte Türen für diese Kondensatoren als Schnelllade-Stromquellen für Mobilgeräte und Laptops öffnen.

Das Team lud 3D-gedruckte poröse Strukturen mit 180 mg Manganoxid per chemischer Zersetzungstechnik. Überraschend: Sie erreichten bis zu 100-mal höhere Beladung als andere, ohne Performance-Einbußen.

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

Sie fügten eine Schicht pseudokapazitiven Manganoxids auf 3D-gedruckte Graphenstruktur hinzu, um Gesamtenergiedichte und Kapazität zu erweitern. Statt selektiver Beschichtung der Außenoberfläche nutzten sie die riesige Oberfläche vollständig.

Der Pluspunkt

Noch spannender: Es ist noch nicht das Limit. Alles ist skalierbar. Viele zugängliche Makroporen – entscheidend für MnO₂-Abscheidung und effiziente Ionendiffusion.

Fertigung 3D-gedruckter Graphen-Aerogel/MnO₂-Elektrode | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Sie können Elektroden dick machen, während sie gute Leitfähigkeit und Ionendiffusion behalten. Typischerweise erreicht man bei zunehmender Dicke eine Schwelle, besonders bei hohen Laderaten.

Da Forscher 3D-Struktur nutzen, können sie höhere Ladung ordentlich nutzen. Der gravimetrische Wert degradiert kaum, selbst bei dickeren Strukturen.

3D-gedruckte Struktur hat weitere Vorteile: Porengröße steuerbar, schnelle Elektrodenfertigung, konfigurierbare Parameter, Porosität durch architektonisches Design veränderbar.

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Die Arbeit betont Performance symmetrischer Superkondensatoren mit zwei ähnlichen 3D-gedruckten Elektroden. In kommenden Jahren werden Forscher extrem hohe Beladung aktiver Materialien für asymmetrische Geräte nutzen – zwei verschiedene Substanzen pro Elektrode, weitere Steigerung von Energiedichte und Arbeitsspannung.