Supercapacitores impressos em 3D atinge desempenho recorde

• Os pesquisadores carregaram estruturas impressas em 3D de aerogel de grafeno poroso com óxido de manganês.
• Isso permitiu que eles capturassem uma capacidade de armazenamento de energia ultra-alta em uma área pequena.
• As densidades de energia são equivalentes às de algumas baterias tradicionais.

Os pseudocapacitores são um tipo de dispositivo de armazenamento de energia que pode equilibrar com eficácia a necessidade de carga / descarga rápida e alta densidade de energia. Para realizar pseudocapacitores práticos, precisamos desenvolver um coletor que possa permitir simultaneamente o transporte de elétrons e a difusão de íons eficientes.

Os avanços recentes na tecnologia de impressão 3D ofereceram novas maneiras de lidar com esse desafio excepcional para os pseudocapacitores. Até agora, inúmeras estratégias foram empregadas para melhorar o desempenho desses dispositivos, incluindo a introdução de defeitos, engenharia de cristalinidade e dopagem elementar.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores da University of California, Santa Cruz e Lawrence Livermore National Laboratory construiu eletrodos de supercapacitores impressos em 3D que são muito superiores aos supercapacitores convencionais em termos de densidade de energia e desempenho.

Usando material pseudocapacitivo para embalar mais densidade

Neste trabalho, os pesquisadores mostraram estruturas impressas em 3D de aerogel de grafeno poroso que pode suportar grandes volumes de um material pseudocapacitivo amplamente usado, óxido de manganês (MnO ₂ ) O material é conhecido por armazenar quimicamente carga elétrica e exibir uma capacidade de energia teórica ultra-alta.

Isso resulta em um supercapacitor com alta capacitância de área ou um armazenamento massivo de carga elétrica por unidade de área. Até agora, ninguém foi capaz de realizar essa façanha. Comparado a outros capacitores, ele tem uma densidade de energia excepcional. O estudo pode abrir novas portas para o uso desse tipo de capacitores como fontes de energia de carregamento rápido para dispositivos como celulares e laptops.

A equipe carregou as estruturas porosas impressas em 3D com 180 mg de óxido de manganês, usando uma técnica de decomposição química. Surpreendentemente, eles conseguiram atingir níveis de carregamento até 100 vezes mais do que os outros, sem degradar o desempenho.

Referência:Célula | doi:10.1016 / j.joule.2018.09.020 | LLNL

Eles adicionaram uma camada de óxido de manganês pseudocapacitivo na estrutura de grafeno impressa em 3D para estender a densidade de energia e capacitância geral. Em vez de aplicar um revestimento seletivo na superfície externa da estrutura, eles utilizaram completamente sua enorme área de superfície.

O ponto positivo

O que é mais emocionante sobre este projeto é que ainda não é o limite. Tudo é escalonável. Existem muitos macroporos acessíveis - um elemento crucial para depositar MnO ₂ e difusão de íons de forma eficiente.

Fabricação de um aerogel de grafeno impresso em 3D / MnO ₂ eletrodo | Cortesia de pesquisadores

Eles podem tornar os eletrodos espessos enquanto mantêm uma condutividade e difusão de íons decentes. Normalmente, se você continuar aumentando a espessura, eventualmente ela atingirá um limite, especialmente em altas taxas de carregamento.

Mas, como os pesquisadores usaram uma estrutura 3D, eles podem fazer uma utilização decente de uma carga mais alta. O valor gravimétrico não se degradará muito, mesmo se tornar a estrutura mais espessa.

A estrutura impressa em 3D tem muitas outras vantagens. Por exemplo, você pode controlar o tamanho dos poros, fabricar eletrodos rapidamente e configurar os parâmetros da maneira que desejar. Além disso, a porosidade pode ser alterada alterando o projeto arquitetônico da estrutura.

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O presente trabalho enfatiza o desempenho dos dispositivos supercapacitores simétricos que se baseiam em dois eletrodos impressos em 3D semelhantes. Nos próximos anos, os pesquisadores usarão cargas extremamente altas de materiais ativos para construir dispositivos assimétricos, que usariam duas substâncias diferentes em cada eletrodo, aumentando ainda mais os níveis de densidade de energia e tensão de trabalho.