Wetenschappers van UC Santa Cruz en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben het eerste voorbeeld gerapporteerd van ultrasnelle 3D-geprinte grafeen-supercondensatorelektroden die beter presteren dan vergelijkbare elektroden die via traditionele methoden zijn gemaakt. Hun resultaten openen de deur naar nieuwe, onbeperkte ontwerpen van zeer efficiënte energieopslagsystemen voor smartphones, wearables, implanteerbare apparaten, elektrische auto's en draadloze sensoren.

Met behulp van een 3D-printproces genaamd direct-inkt schrijven en een grafeenoxide-composietinkt, het team was in staat om micro-architected elektroden te printen en supercondensatoren te bouwen met uitstekende prestatiekenmerken. De resultaten zijn op 20 januari online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters en zal worden vermeld op de omslag van het maartnummer van het tijdschrift.

"Supercapacitor-apparaten die onze 3D-geprinte grafeenelektroden met diktes in de orde van millimeters gebruiken, vertonen een uitstekende capaciteitsretentie en vermogensdichtheden, " zei corresponderende auteur Yat Li, universitair hoofddocent scheikunde aan de UC Santa Cruz. "Deze prestatie overtreft aanzienlijk de prestaties van conventionele apparaten met dikke elektroden, en het is gelijk aan of overtreft de prestaties van gerapporteerde apparaten gemaakt met elektroden die 10 tot 100 keer dunner zijn."

LLNL-ingenieur Cheng Zhu en UCSC-afgestudeerde student Tianyu Liu zijn hoofdauteurs van het artikel. "Dit doorbreekt de beperkingen van wat 2D-productie kan doen, "Zei Zhu. "We kunnen een groot aantal 3D-architecturen fabriceren. Op een telefoon, bijvoorbeeld, u hoeft slechts een klein gebied over te laten voor energieopslag. De geometrie kan erg complex zijn."

Snel opladen

Supercondensatoren kunnen ook ongelooflijk snel opladen, Zhu zei, in theorie slechts enkele minuten of seconden nodig om de volledige capaciteit te bereiken. In de toekomst, de onderzoekers geloven dat nieuw ontworpen 3D-geprinte supercondensatoren zullen worden gebruikt om unieke elektronica te creëren die momenteel moeilijk of zelfs onmogelijk te maken is met andere synthetische methoden, inclusief volledig op maat gemaakte smartphones en papieren of opvouwbare apparaten, terwijl tegelijkertijd ongekende prestatieniveaus worden bereikt.

Volgens Li, verschillende belangrijke doorbraken maakten deze nieuwe apparaten mogelijk, te beginnen met de ontwikkeling van een bedrukbare inkt op grafeenbasis. Aanpassing van het 3D-printschema om compatibel te zijn met aerogelverwerking maakte het mogelijk om de belangrijke mechanische en elektrische eigenschappen van enkele grafeenvellen in de 3D-geprinte structuren te behouden. Eindelijk, het gebruik van 3D-printen om op intelligente wijze periodieke macroporiën in de grafeenelektrode te engineeren, verbetert het massatransport aanzienlijk, waardoor het apparaat veel snellere laad- / ontlaadsnelheden kan ondersteunen zonder de capaciteit te verminderen.

"Dit werk geeft een voorbeeld van hoe 3D-geprinte materialen zoals grafeen-aerogels de ontwerpruimte aanzienlijk kunnen uitbreiden voor het vervaardigen van hoogwaardige en volledig integreerbare energieopslagapparaten die zijn geoptimaliseerd voor een breed scala aan toepassingen, ' zei Li.

De voordelen van op grafeen gebaseerde inkten zijn onder meer hun ultrahoge oppervlakte, lichtgewicht eigenschappen, elasticiteit, en superieure elektrische geleidbaarheid. De grafeen composiet aerogel supercondensatoren zijn ook extreem stabiel, meldden de onderzoekers, in staat om hun energiecapaciteit bijna volledig te behouden na 10, 000 opeenvolgende laad- en ontlaadcycli.

"Grafeen is echt een ongelooflijk materiaal omdat het in wezen een enkele atomaire laag is die kan worden gemaakt van grafiet. Vanwege zijn structuur en kristallijne rangschikking, het heeft werkelijk fenomenale mogelijkheden, ", zegt LLNL-materiaalingenieur Eric Duoss.

In het komende jaar, de onderzoekers zijn van plan de technologie uit te breiden door nieuwe 3D-ontwerpen te ontwikkelen, verschillende inkten gebruiken, en het verbeteren van de prestaties van bestaande materialen.