3D-printet superkapacitorelektrode slår rekorder i laboratorietest

Forskere ved UC Santa Cruz og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har rapporteret hidtil usete præstationsresultater for en superkapacitorelektrode. Forskerne fremstillede elektroder ved hjælp af en printbar grafen-aerogel til at bygge et porøst tredimensionelt stillads fyldt med pseudokapacitivt materiale.

I laboratorieundersøgelser, de nye elektroder opnåede den højeste arealkapacitans (elektrisk ladning lagret pr. enhed elektrodeoverfladeareal) nogensinde rapporteret for en superkapacitor, sagde Yat Li, professor i kemi og biokemi ved UC Santa Cruz. Li og hans samarbejdspartnere rapporterede deres resultater i et papir, der blev offentliggjort 18. oktober i Joule .

Som energilagringsenheder, superkapacitorer har fordelene ved at oplade meget hurtigt (i sekunder til minutter) og bevare deres lagerkapacitet gennem titusinder af opladningscyklusser. De bruges til regenerative bremsesystemer i elektriske køretøjer og andre applikationer. Sammenlignet med batterier, de holder mindre energi i den samme mængde plads, og de holder ikke en afgift så længe. Men fremskridt inden for superkapacitorteknologi kan gøre dem konkurrencedygtige med batterier i en meget bredere vifte af applikationer.

I tidligere arbejde, UCSC- og LLNL-forskerne demonstrerede ultrahurtige superkapacitorelektroder fremstillet ved hjælp af en 3D-trykt grafen-aerogel. I den nye undersøgelse, de brugte en forbedret grafen -aerogel til at bygge et porøst stillads, som derefter blev fyldt med manganoxid, et almindeligt anvendt pseudokapacitivt materiale.

En pseudokondensator er en type superkapacitor, der lagrer energi gennem en reaktion ved elektrodeoverfladen, giver den mere batterilignende ydelse end superkapacitorer, der lagrer energi primært gennem en elektrostatisk mekanisme (kaldet elektrisk dobbeltlags kapacitans, eller EDLC).

"Problemet for pseudokondensatorer er, at når du øger tykkelsen af ​​elektroden, kapacitansen falder hurtigt på grund af træg iondiffusion i bulkstruktur. Så udfordringen er at øge masselastningen af ​​pseudokapacitormateriale uden at ofre dets energilagringskapacitet pr. Masseenhed eller volumen, "Forklarede Li.

Den nye undersøgelse viser et gennembrud i balancering af masselastning og kapacitans i en pseudokondensator. Forskerne var i stand til at øge masselastningen til rekordniveauer på mere end 100 milligram manganoxid per kvadratcentimeter uden at gå på kompromis med ydeevnen, sammenlignet med typiske niveauer på omkring 10 milligram per kvadratcentimeter for kommercielle enheder.

Mest vigtigt, arealkapacitansen steg lineært med masselastning af manganoxid og elektrode tykkelse, mens kapacitansen pr. gram (gravimetrisk kapacitans) forblev næsten uændret. Dette indikerer, at elektrodenes ydeevne ikke er begrænset af iondiffusion selv ved en så høj masselastning.

Første forfatter Bin Yao, en kandidatstuderende i Li's laboratorium ved UC Santa Cruz, forklarede, at ved traditionel kommerciel fremstilling af superkapacitorer, en tynd belægning af elektrodemateriale påføres på en tynd metalplade, der fungerer som en strømopsamler. Fordi forøgelse af belægningens tykkelse får ydeevnen til at falde, flere ark er stablet for at opbygge kapacitans, tilføjer vægt og materialepris på grund af den metalliske strømkollektor i hvert lag.

"Med vores tilgang, vi behøver ikke stabling, fordi vi kan øge kapacitansen ved at gøre elektroden tykkere uden at gå på kompromis med ydeevnen, "Sagde Yao.

Forskerne var i stand til at øge tykkelsen af ​​deres elektroder til 4 millimeter uden tab af ydeevne. De designede elektroderne med en periodisk porestruktur, der muliggør både ensartet aflejring af materialet og effektiv iondiffusion til opladning og afladning. Den trykte struktur er et gitter sammensat af cylindriske stænger af grafen -aerogelen. Selve stængerne er porøse, foruden porerne i gitterstrukturen. Manganoxid elektrodeponeres derefter på grafen -aerogelgitteret.

"Den centrale innovation i denne undersøgelse er brugen af ​​3D-print til at fremstille en rationelt designet struktur, der giver et kulstofstillads til understøttelse af det pseudokapacitive materiale, "Sagde Li." Disse fund validerer en ny tilgang til fremstilling af energilagringsenheder ved hjælp af 3D-udskrivning. "

Superkondensatorudstyr fremstillet med grafen -aerogel/manganoxidelektroder viste god cykelstabilitet, bevarer mere end 90 procent af den oprindelige kapacitans efter 20, 000 cykler med opladning og afladning. De 3D-trykte grafen-aerogelelektroder giver en enorm designfleksibilitet, fordi de kan laves i enhver form, der er nødvendig for at passe ind i en enhed. Det udskrivbare grafenbaserede blæk udviklet på LLNL giver ultrahøjt overfladeareal, lette egenskaber, elasticitet, og overlegen elektrisk ledningsevne.