Wetenschappers van UC Santa Cruz en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben ongekende prestatieresultaten gerapporteerd voor een supercondensatorelektrode. De onderzoekers fabriceerden elektroden met behulp van een bedrukbare grafeen-aerogel om een ​​poreuze driedimensionale steiger te bouwen die is geladen met pseudocapacitief materiaal.

Bij laboratoriumtesten, de nieuwe elektroden bereikten de hoogste oppervlaktecapaciteit (elektrische lading opgeslagen per eenheid elektrodeoppervlak) ooit gerapporteerd voor een supercondensator, zei Yat Li, hoogleraar scheikunde en biochemie aan de UC Santa Cruz. Li en zijn medewerkers rapporteerden hun bevindingen in een paper gepubliceerd op 18 oktober in Joule .

Als apparaten voor energieopslag, supercondensatoren hebben het voordeel dat ze zeer snel opladen (in seconden tot minuten) en hun opslagcapaciteit behouden gedurende tienduizenden laadcycli. Ze worden gebruikt voor regeneratieve remsystemen in elektrische voertuigen en andere toepassingen. In vergelijking met batterijen, ze houden minder energie vast in dezelfde hoeveelheid ruimte, en ze houden een lading niet zo lang vast. Maar door de vooruitgang in de technologie van supercondensatoren zouden ze in een veel breder scala aan toepassingen kunnen concurreren met batterijen.

In eerder werk, de UCSC- en LLNL-onderzoekers demonstreerden ultrasnelle supercondensatorelektroden die zijn vervaardigd met behulp van een 3D-geprinte grafeen-aerogel. In de nieuwe studie ze gebruikten een verbeterde grafeen-aerogel om een ​​poreuze steiger te bouwen die vervolgens werd geladen met mangaanoxide, een veelgebruikt pseudocapacitief materiaal.

Een pseudocondensator is een soort supercondensator die energie opslaat door een reactie op het elektrodeoppervlak, waardoor het meer batterijachtige prestaties levert dan supercondensatoren die energie voornamelijk opslaan via een elektrostatisch mechanisme (elektrische dubbellaags capaciteit genoemd, of EDLC).

"Het probleem voor pseudocondensatoren is dat wanneer je de dikte van de elektrode vergroot, de capaciteit neemt snel af vanwege de trage ionendiffusie in de bulkstructuur. De uitdaging is dus om de massalading van pseudocondensatormateriaal te vergroten zonder de energieopslagcapaciteit per massa- of volume-eenheid op te offeren, ' legde Li uit.

De nieuwe studie toont een doorbraak aan in het balanceren van massabelasting en capaciteit in een pseudocondensator. De onderzoekers waren in staat om de massabelasting te verhogen tot recordniveaus van meer dan 100 milligram mangaanoxide per vierkante centimeter zonder afbreuk te doen aan de prestaties, vergeleken met typische niveaus van ongeveer 10 milligram per vierkante centimeter voor commerciële apparaten.

Het belangrijkste is, de oppervlaktecapaciteit nam lineair toe met massalading van mangaanoxide en elektrodedikte, terwijl de capaciteit per gram (gravimetrische capaciteit) vrijwel onveranderd bleef. Dit geeft aan dat de prestaties van de elektrode niet worden beperkt door ionendiffusie, zelfs niet bij zo'n hoge massabelasting.

Eerste auteur Bin Yao, een afgestudeerde student in Li's lab aan UC Santa Cruz, legde uit dat bij traditionele commerciële fabricage van supercondensatoren, een dunne laag elektrodemateriaal wordt aangebracht op een dunne metalen plaat die als stroomcollector dient. Omdat het verhogen van de dikte van de coating ervoor zorgt dat de prestaties afnemen, meerdere vellen worden gestapeld om capaciteit op te bouwen, het toevoegen van gewicht en materiaalkosten vanwege de metalen stroomafnemer in elke laag.

“Met onze aanpak we hoeven niet te stapelen omdat we de capaciteit kunnen vergroten door de elektrode dikker te maken zonder in te boeten aan prestaties, ' zei Yao.

De onderzoekers konden de dikte van hun elektroden vergroten tot 4 millimeter zonder prestatieverlies. Ze ontwierpen de elektroden met een periodieke poriestructuur die zowel een uniforme afzetting van het materiaal als een efficiënte iondiffusie voor opladen en ontladen mogelijk maakt. De gedrukte structuur is een rooster dat is samengesteld uit cilindrische staven van de grafeen-aerogel. De staven zelf zijn poreus, naast de poriën in de roosterstructuur. Mangaanoxide wordt vervolgens elektrolytisch afgezet op het grafeen-aerogelrooster.

"De belangrijkste innovatie in deze studie is het gebruik van 3D-printen om een ​​rationeel ontworpen structuur te fabriceren die een koolstofsteiger biedt om het pseudocapacitieve materiaal te ondersteunen, " zei Li. "Deze bevindingen valideren een nieuwe benadering voor het vervaardigen van apparaten voor energieopslag met behulp van 3D-printen."

Supercapacitor-apparaten gemaakt met de grafeen-aerogel / mangaanoxide-elektroden vertoonden een goede fietsstabiliteit, behoud van meer dan 90 procent van de initiële capaciteit na 20, 000 cycli van opladen en ontladen. De 3D-geprinte grafeen-aerogelelektroden bieden een enorme ontwerpflexibiliteit omdat ze in elke vorm kunnen worden gemaakt die nodig is om in een apparaat te passen. De bedrukbare op grafeen gebaseerde inkten die bij LLNL zijn ontwikkeld, bieden een ultrahoog oppervlak, lichtgewicht eigenschappen, elasticiteit, en superieure elektrische geleidbaarheid.