3Dプリントされたスーパーキャパシターが記録破りのパフォーマンスを実現

• 研究者は、多孔質グラフェンエアロゲルの3Dプリント構造に酸化マンガンをロードしました。
• これにより、彼らは超高エネルギー貯蔵容量を小さなエリアに取り込むことができました。
• エネルギー密度は、一部の従来のバッテリーと同等です。

疑似コンデンサは、急速充電/放電と高エネルギー密度の要件のバランスを効果的にとることができるエネルギー貯蔵デバイスの一種です。実用的な疑似コンデンサーを実現するには、効率的な電子輸送とイオン拡散を同時に可能にするコレクターを開発する必要があります。

3D印刷技術の最近の進歩により、疑似コンデンサーのこの並外れた課題に対処する新しい方法が提供されています。これまで、欠陥の導入、結晶化度工学、元素ドーピングなど、これらのデバイスの性能を向上させるために多くの戦略が採用されてきました。

最近、カリフォルニア大学サンタクルーズ校とローレンスリバモア国立研究所の研究者チームが、エネルギー密度と性能の点で従来のスーパーキャパシタよりもはるかに優れた3D印刷されたスーパーキャパシタ電極を構築しました。

疑似容量材料を使用して密度を高める

この研究では、研究者は、広く使用されている疑似容量性材料である酸化マンガン（MnO ₂ ）を大量にサポートできる多孔質グラフェンエアロゲルの3Dプリント構造を示しました。 ）。この材料は、電荷を化学的に蓄積し、超高理論エネルギー容量を示すことで知られています。

これにより、面積容量が大きいスーパーキャパシタ、または単位面積あたりの電荷が大量に蓄積されるスーパーキャパシタが得られます。今まで、誰もこの偉業を達成することができませんでした。他のコンデンサと比較して、それは並外れたエネルギー密度を持っています。この研究は、このタイプのコンデンサを携帯電話やラップトップなどのデバイスの急速充電電源として使用するための新しい扉を開く可能性があります。

チームは、化学分解技術を使用して、3Dプリントされた多孔質構造に180mgの酸化マンガンをロードしました。驚いたことに、パフォーマンスを低下させることなく、他の人が到達したものの最大100倍の負荷レベルを達成することができました。

参照：セル| doi：10.1016 / j.joule.2018.09.020 | LLNL

彼らは、3D印刷されたグラフェン構造に疑似容量性酸化マンガンの層を追加して、全体的なエネルギー密度と容量を拡張しました。構造物の外面に選択的なコーティングを施すのではなく、その巨大な表面積を完全に活用しました。

プラスポイント

このプロジェクトでさらにエキサイティングなのは、それがまだ限界ではないということです。すべてがスケーラブルです。アクセス可能なマクロポアがたくさんあります。これは、MnO ₂ を配置するための重要な要素です。 イオンを効率的に拡散します。

3Dプリントされたグラフェンエアロゲル/ MnOの製造 ₂ 電極|研究者の礼儀

それらは、まともな導電率とイオン拡散を維持しながら、電極を厚くすることができます。通常、厚さを増やし続けると、特に高い充電率で、最終的にしきい値に達します。

しかし、研究者は3D構造を使用しているため、より高い電荷を適切に利用することができます。構造が厚くなっても、重量値はそれほど低下しません。

3D印刷された構造には、他にも多くの利点があります。たとえば、細孔のサイズを制御したり、電極を迅速に製造したり、パラメータを必要に応じて構成したりできます。また、構造の建築設計を変更することで、気孔率を変更できます。

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現在の作業は、2つの類似した3Dプリント電極に依存する対称スーパーキャパシタデバイスの性能に重点を置いています。今後数年間で、研究者は非常に高い負荷の活物質を使用して非対称デバイスを構築します。これにより、各電極に2つの異なる物質が使用され、エネルギー密度と動作電圧のレベルがさらに向上します。