Forskare vid UC Santa Cruz och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har rapporterat oöverträffade prestandaresultat för en superkondensatorelektrod. Forskarna tillverkade elektroder med hjälp av en utskrivbar grafen aerogel för att bygga en porös tredimensionell ställning laddad med pseudokapacitivt material.

I laboratorietester, de nya elektroderna uppnådde den högsta ytkapacitansen (elektrisk laddning lagrad per enhet av elektrodytan) som någonsin rapporterats för en superkondensator, sa Yat Li, professor i kemi och biokemi vid UC Santa Cruz. Li och hans medarbetare rapporterade sina fynd i en tidning som publicerades den 18 oktober i Joule .

Som energilagringsenheter, superkondensatorer har fördelen av att ladda mycket snabbt (i sekunder till minuter) och behålla sin lagringskapacitet genom tiotusentals laddningscykler. De används för regenerativa bromssystem i elfordon och andra applikationer. Jämfört med batterier, de håller mindre energi i samma mängd utrymme, och de håller inte en laddning lika länge. Men framsteg inom superkondensatorteknologi kan göra dem konkurrenskraftiga med batterier i ett mycket bredare spektrum av tillämpningar.

I tidigare arbeten, forskarna från UCSC och LLNL visade ultrasnabba superkondensatorelektroder tillverkade med en 3-D-tryckt grafenaerogel. I den nya studien, de använde en förbättrad grafen aerogel för att bygga en porös ställning som sedan laddades med manganoxid, ett vanligt använt pseudokapacitivt material.

En pseudocapacitor är en typ av superkondensator som lagrar energi genom en reaktion vid elektrodytan, ger den mer batteriliknande prestanda än superkondensatorer som lagrar energi främst genom en elektrostatisk mekanism (kallad elektrisk dubbelskiktskapacitans, eller EDLC).

"Problemet för pseudokondensatorer är att när du ökar tjockleken på elektroden, kapacitansen minskar snabbt på grund av trög jondiffusion i bulkstrukturen. Så utmaningen är att öka massbelastningen av pseudokondensatormaterial utan att offra dess energilagringskapacitet per enhet massa eller volym, " förklarade Li.

Den nya studien visar ett genombrott för att balansera massbelastning och kapacitans i en pseudokondensator. Forskarna kunde öka massbelastningen till rekordnivåer på mer än 100 milligram manganoxid per kvadratcentimeter utan att kompromissa med prestanda, jämfört med typiska nivåer på cirka 10 milligram per kvadratcentimeter för kommersiella enheter.

Viktigast, ytkapacitansen ökade linjärt med massbelastning av manganoxid och elektrodtjocklek, medan kapacitansen per gram (gravimetrisk kapacitans) förblev nästan oförändrad. Detta indikerar att elektrodens prestanda inte begränsas av jondiffusion även vid en så hög massbelastning.

Första författare Bin Yao, en doktorand i Lis labb vid UC Santa Cruz, förklarade att vid traditionell kommersiell tillverkning av superkondensatorer, en tunn beläggning av elektrodmaterial appliceras på en tunn metallplåt som fungerar som en strömavtagare. Eftersom att öka tjockleken på beläggningen gör att prestandan försämras, flera ark staplas för att bygga kapacitans, lägga till vikt och materialkostnad på grund av den metalliska strömavtagaren i varje lager.

"Med vårt tillvägagångssätt, vi behöver inte stapla eftersom vi kan öka kapacitansen genom att göra elektroden tjockare utan att offra prestanda, " sa Yao.

Forskarna kunde öka tjockleken på sina elektroder till 4 millimeter utan någon förlust av prestanda. De designade elektroderna med en periodisk porstruktur som möjliggör både enhetlig avsättning av materialet och effektiv jondiiffusion för laddning och urladdning. Den tryckta strukturen är ett gitter som består av cylindriska stavar av grafenaerogel. Själva stavarna är porösa, förutom porerna i gallerstrukturen. Manganoxid avsätts sedan elektrolytiskt på grafenaerogelgittret.

"Den viktigaste innovationen i denna studie är användningen av 3-D-utskrift för att tillverka en rationellt utformad struktur som tillhandahåller en kolställning för att stödja det pseudokapacitiva materialet, "Dessa resultat bekräftar en ny metod för att tillverka energilagringsenheter med 3D-utskrift."

Superkondensatorenheter gjorda med grafen aerogel/manganoxidelektroder visade god cykelstabilitet, bibehåller mer än 90 procent av initial kapacitans efter 20, 000 cykler av laddning och urladdning. De 3-D-tryckta aerogelelektroderna i grafen tillåter en enorm designflexibilitet eftersom de kan göras i vilken form som helst för att passa in i en enhet. De utskrivbara grafenbaserade bläck som utvecklats vid LLNL ger ultrahög yta, lätta egenskaper, elasticitet, och överlägsen elektrisk ledningsförmåga.