3Dプリント超電容器が記録的エネルギー密度達成、従来バッテリーに匹敵

• 研究者たちが多孔質グラフェンエアロゲルの3Dプリント構造に二酸化マンガンを充填
• 超高エネルギー貯蔵容量を小さな面積に詰め込むことに成功
• エネルギー密度は一部の従来型バッテリーと同等

擬似キャパシタは、高速充放電と高エネルギー密度の要件を効果的に両立できるエネルギー貯蔵デバイスの一種です。実用的な擬似キャパシタを実現するには、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プリント技術の最近の進歩は、擬似キャパシタのこの例外的な課題に対処する新しい方法を提供しています。これまで、欠陥導入、結晶性エンジニアリング、元素ドーピングなど、これらのデバイスの性能向上のために多数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チームが、従来の超電容器をエネルギー密度と性能の面で大きく上回る3Dプリント超電容器電極を構築しました。

擬似キャパシタ材料で更なる高密度化

この研究では、広く使用されている擬似キャパシタ材料である二酸化マンガン（MnO₂）を大量に担持できる、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貯蔵し、超高い理論的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、単位面積あたりの電荷貯蔵量である面積容量が高い、または大量の電荷貯蔵を実現する超電容器が得られます。これまで、誰もこの偉業を達成できていませんでした。他のキャパシタと比較して、例外的なエネルギー密度を持っています。この研究は、モバイルやノートPCのようなデバイスの急速充電電源としてこのタイプのキャパシタを使用する新たな扉を開く可能性があります。

チームは、化学分解技術を用いて3Dプリント多孔質構造に180mgの二酸化マンガンを充填しました。驚くべきことに、他の研究者たちが到達したレベルの100倍の充填レベルを達成しながら、性能を低下させませんでした。

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

3Dプリントグラフェン構造に擬似キャパシタ性の二酸化マンガン層を追加し、全体のエネルギー密度と容量を拡張しました。構造の外表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。

さらなる利点

このプロジェクトでよりエキサイティングなのは、これがまだ限界ではないことです。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多くあり、これはMnO₂の堆積とイオンの効率的な拡散に不可欠な要素です。

3Dプリントグラフェンエアロゲル/MnO₂電極の製造 | 研究者提供

優れた導電性とイオン拡散を維持しながら電極を厚くできます。通常、厚さを増し続けると、特に高充電レートでは最終的に閾値に達します。

しかし研究者たちが3D構造を使用したため、より高い電荷を適切に活用できます。構造を厚くしても比重量値はそれほど劣化しません。

3Dプリント構造には他にも多くの利点があります。たとえば、孔のサイズを制御でき、電極を迅速に製造でき、パラメータを望むように設定できます。また、構造の建築設計を変更することで多孔性を変更できます。

現在の研究は、2つの類似した3Dプリント電極に依存する対称超電容器デバイスの性能を強調しています。今後数年で、研究者たちは活性物質の極めて高い充填を用いて非対称デバイスを構築し、各電極に2つの異なる物質を使用することで、エネルギー密度と動作電圧のレベルをさらに高める予定です。