Los supercondensadores impresos en 3D logran un rendimiento récord

• Los investigadores cargaron estructuras impresas en 3D de aerogel de grafeno poroso con óxido de manganeso.
• Esto les permitió capturar una capacidad de almacenamiento de energía ultra alta en un área pequeña.
• Las densidades de energía son equivalentes a las de algunas baterías tradicionales.

Los pseudocondensadores son un tipo de dispositivos de almacenamiento de energía que podrían equilibrar eficazmente el requisito de carga / descarga rápida y alta densidad de energía. Para realizar pseudocondensadores prácticos, necesitamos desarrollar un colector que pueda permitir simultáneamente el transporte eficiente de electrones y la difusión de iones.

Los avances recientes en la tecnología de impresión 3D han ofrecido nuevas formas de abordar este desafío excepcional para los pseudocondensadores. Hasta ahora, se han empleado numerosas estrategias para mejorar el rendimiento de estos dispositivos, incluida la introducción de defectos, la ingeniería de cristalinidad y el dopaje elemental.

Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de California, Santa Cruz y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore construyeron electrodos de supercondensadores impresos en 3D que son muy superiores a los supercondensadores convencionales en términos de densidad de energía y rendimiento.

Uso de material pseudocapacitivo para empaquetar más densidad

En este trabajo, los investigadores han mostrado estructuras impresas en 3D de aerogel de grafeno poroso que pueden soportar grandes volúmenes de un material pseudocapacitivo ampliamente utilizado, el óxido de manganeso (MnO ₂ ). El material es conocido por almacenar químicamente carga eléctrica y exhibir una capacidad de energía teórica ultra alta.

Esto da como resultado un supercondensador que tiene una alta capacitancia de área o un almacenamiento masivo de carga eléctrica por unidad de área. Hasta ahora, nadie ha podido lograr esta hazaña. Comparado con otros condensadores, tiene una densidad de energía excepcional. El estudio podría abrir nuevas puertas para el uso de este tipo de condensadores como fuentes de energía de carga rápida para dispositivos como móviles y portátiles.

El equipo cargó las estructuras porosas impresas en 3D con 180 mg de óxido de manganeso, utilizando una técnica de descomposición química. Sorprendentemente, pudieron alcanzar hasta 100 veces más niveles de carga de lo que otros han alcanzado, sin degradar el rendimiento.

Referencia:Celda | doi:10.1016 / j.joule.2018.09.020 | LLNL

Agregaron una capa de óxido de manganeso pseudocapacitivo en la estructura de grafeno impresa en 3D para extender la densidad de energía y la capacitancia general. En lugar de aplicar un revestimiento selectivo en la superficie externa de la estructura, utilizaron completamente su enorme área de superficie.

El punto positivo

Lo más emocionante de este proyecto es que todavía no es el límite. Todo es escalable. Hay muchos macroporos accesibles, un elemento crucial para depositar MnO ₂ y difundir iones de manera eficiente.

Fabricación de un aerogel de grafeno impreso en 3D / MnO ₂ electrodo | Cortesía de investigadores

Pueden hacer que los electrodos sean gruesos al tiempo que conservan una conductividad y difusión de iones decentes. Por lo general, si sigue aumentando el grosor, eventualmente alcanzará un umbral, particularmente a tasas de carga altas.

Pero dado que los investigadores han utilizado una estructura 3D, pueden hacer un uso decente de una carga más alta. El valor gravimétrico no se degradará mucho, incluso si hacen que la estructura sea más gruesa.

La estructura impresa en 3D tiene muchas otras ventajas. Por ejemplo, puede controlar el tamaño de los poros, fabricar electrodos rápidamente y configurar los parámetros de la manera que desee. Además, la porosidad se puede alterar cambiando el diseño arquitectónico de la estructura.

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El presente trabajo hace hincapié en el rendimiento de los dispositivos supercondensadores simétricos que se basan en dos electrodos impresos en 3D similares. En los próximos años, los investigadores usarán cargas extremadamente altas de materiales activos para construir dispositivos asimétricos, que usarían dos sustancias diferentes en cada electrodo, aumentando aún más los niveles de densidad de energía y voltaje de trabajo.