3D-gedruckte Superkondensatoren erzielen rekordverdächtige Leistung

• Forscher beladen 3D-gedruckte Strukturen aus porösem Graphen-Aerogel mit Manganoxid.
• Dies ermöglichte es ihnen, eine ultrahohe Energiespeicherkapazität auf kleinem Raum zu erfassen.
• Die Energiedichten entsprechen denen einiger herkömmlicher Batterien.

Pseudokondensatoren sind eine Art von Energiespeichergeräten, die die Anforderungen an schnelles Laden/Entladen und eine hohe Energiedichte effektiv ausgleichen können. Um praktische Pseudokondensatoren zu realisieren, müssen wir einen Kollektor entwickeln, der gleichzeitig einen effizienten Elektronentransport und eine Ionendiffusion ermöglicht.

Die jüngsten Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie bieten neue Möglichkeiten, diese außergewöhnliche Herausforderung für Pseudokondensatoren zu bewältigen. Bisher wurden zahlreiche Strategien eingesetzt, um die Leistung dieser Bauelemente zu verbessern, einschließlich Fehlereinführung, Kristallinitäts-Engineering und Elementardotierung.

Kürzlich hat ein Forscherteam der University of California, Santa Cruz und Lawrence Livermore National Laboratory 3D-gedruckte Superkondensatorelektroden entwickelt, die herkömmlichen Superkondensatoren in Bezug auf Energiedichte und Leistung weit überlegen sind.

Verwenden von pseudokapazitivem Material für eine höhere Packungsdichte

In dieser Arbeit haben Forscher 3D-gedruckte Strukturen aus porösem Graphen-Aerogel gezeigt, die große Mengen eines weit verbreiteten pseudokapazitiven Materials, Manganoxid (MnO₂ .), tragen können ). Das Material ist dafür bekannt, dass es elektrische Ladung chemisch speichert und eine ultrahohe theoretische Energiekapazität aufweist.

Dies führt zu einem Superkondensator mit hoher Flächenkapazität oder einer massiven Speicherung elektrischer Ladung pro Flächeneinheit. Dieses Kunststück ist bisher noch niemandem gelungen. Im Vergleich zu anderen Kondensatoren weist er eine außergewöhnliche Energiedichte auf. Die Studie könnte neue Türen für die Verwendung dieser Art von Kondensatoren als Schnellladestromquellen für Geräte wie Mobiltelefone und Laptops öffnen.

Das Team belud die 3D-gedruckten porösen Strukturen mit 180 mg Manganoxid unter Verwendung einer chemischen Zersetzungstechnik. Überraschenderweise konnten sie bis zu 100-mal mehr Ladestufen erreichen als andere, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

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

Sie fügten einer 3D-gedruckten Graphenstruktur eine Schicht aus pseudokapazitivem Manganoxid hinzu, um die Gesamtenergiedichte und -kapazität zu erhöhen. Anstatt eine selektive Beschichtung auf der Außenfläche der Struktur aufzubringen, nutzten sie die riesige Oberfläche vollständig aus.

Der Pluspunkt

Das Spannende an diesem Projekt ist, dass es immer noch nicht das Limit ist. Alles ist skalierbar. Es gibt viele zugängliche Makroporen – ein entscheidendes Element für die Ablagerung von MnO₂  und Ionen effizient verteilen.

Herstellung eines 3D-gedruckten Graphen-Aerogels/MnO₂  Elektrode | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Sie können die Elektroden dick machen, während eine angemessene Leitfähigkeit und Ionendiffusion beibehalten werden. Wenn Sie die Dicke weiter erhöhen, wird normalerweise ein Schwellenwert erreicht, insbesondere bei hohen Laderaten.

Da Forscher jedoch eine 3D-Struktur verwendet haben, können sie eine höhere Ladung anständig nutzen. Der gravimetrische Wert wird sich nicht stark verschlechtern, selbst wenn sie die Struktur dicker machen.

Die 3D-gedruckte Struktur hat viele weitere Vorteile. Sie können beispielsweise die Porengröße steuern, Elektroden schnell herstellen und die Parameter nach Ihren Wünschen konfigurieren. Außerdem kann die Porosität durch Änderung des architektonischen Designs der Struktur geändert werden.

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Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Leistung symmetrischer Superkondensatoren, die auf zwei ähnlichen 3D-gedruckten Elektroden beruhen. In den kommenden Jahren werden Forscher eine extrem hohe Beladung mit aktiven Materialien verwenden, um asymmetrische Geräte zu bauen, die zwei verschiedene Substanzen an jeder Elektrode verwenden würden, um die Energiedichte und Arbeitsspannung weiter zu erhöhen.